Magnetische Superkräfte freisetzen: Die topologischen Magnonen von Mn5Ge3
15. Januar 2024
In der sich ständig weiterentwickelnden Landschaft der Physik der kondensierten Materie hat die Zusammenarbeit von Forscher:innen des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI-1), der École Polytechnique Fédérale de Lausanne, des Paul Scherrer Instituts in der Schweiz und des Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) zu einem Durchbruch geführt. Die Studie, die von den Wissenschaftlern Manuel dos Santos Dias, Nikolaos Biniskos und Flaviano dos Santos unter der Leitung von Stefan Blügel, Thomas Brückel und Samir Lounis vorangetrieben wurde, hat sich mit den unerforschten magnonischen Eigenschaften von Mn5Ge3, einem dreidimensionalen ferromagnetischen Material, beschäftigt.
Die Topologie, ein Konzept, das in der heutigen Physik von zentraler Bedeutung ist, hat bereits eine transformierende Rolle beim Verständnis von Elektronen in Festkörpern gespielt. Von Quanten-Hall-Effekten bis hin zu topologischen Isolatoren - der Einfluss der Topologie ist weitreichend. In diesem Zusammenhang hat sich der Fokus auf Magnonen - die kollektive Präzession magnetischer Momente - als potenzielle Träger topologischer Effekte verlagert. Da Magnonen Bosonen sind, können sie einzigartige Phänomene aufweisen, die denen ihrer fermionischen Gegenstücke ähneln.
Wissenschaftliches Ergebnis
Ziel des Teams von Wissenschaftler:innen war die Erforschung der magnonischen Eigenschaften von Mn5Ge3, einem zentrosymmetrischen 3D-Ferromagneten. Durch eine Kombination aus Dichtefunktionaltheorieberechnungen, Spinmodellsimulationen und Neutronenstreuexperimenten entschlüsselten sie die ungewöhnliche Magnonenbandstruktur des Materials. Die zentrale Entdeckung war die Existenz von Dirac-Magnonen mit einer Energielücke, ein Phänomen, das auf Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkungen zurückzuführen ist. Diese Wechselwirkung, die innerhalb des Materials identifiziert wurde, ist für die Entstehung einer Lücke im Magnonenspektrum verantwortlich. Die Einstellbarkeit der Lücke durch Drehung der Magnetisierungsrichtung mit Hilfe eines angelegten Magnetfeldes charakterisiert Mn5Ge3 als dreidimensionales Material mit lückenhaften Dirac-Magnonen. Diese Lücke, die theoretisch erklärt und experimentell nachgewiesen wurde, unterstreicht die topologische Natur der Mn5Ge3-Magnonen.
Die Ergebnisse der Forschenden tragen nicht nur zum grundlegenden Verständnis topologischer Magnonen bei, sondern machen auch deutlich, dass Mn5Ge3 ein potenzieller Wegbereiter im Bereich der magnetischen Materialien ist.
Gesellschaftliche und wissenschaftliche Relevanz
Das komplizierte Zusammenspiel der in Mn5Ge3 entdeckten Faktoren eröffnet neue Wege für die Entwicklung von Materialien mit maßgeschneiderten magnetischen Eigenschaften. Da die magnetischen Eigenschaften des Materials fein abgestimmt werden können, wird die Aussicht, diese topologischen Magnonen in neuartige Gerätekonzepte für praktische Anwendungen zu integrieren, immer realistischer.
Die Studie stellt einen wichtigen Meilenstein bei der Entschlüsselung der Geheimnisse magnetischer Materialien dar. Die Ergebnisse der Forschung erweitern nicht nur unser Verständnis von Magnonen, sondern ebnen auch den Weg für die Nutzung ihrer einzigartigen Quanteneigenschaften in zukünftigen Technologien.
Originalveröffentlichung:
dos Santos Dias, M., Biniskos, N., dos Santos, F.J. et al. Topological magnons driven by the Dzyaloshinskii-Moriya interaction in the centrosymmetric ferromagnet Mn5Ge3. Nat Commun 14, 7321 (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43042-3
Ansprechpartner
Prof. Dr. Samir Lounis
Head of Funsilab and Scientific Staff at Peter Grünberg Institute (PGI-1) and Institute for Advanced Simulation (IAS-1) Professor of Theoretical Physics at University of Duisburg-Essen
- Peter Grünberg Institut (PGI)
- Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Raum 156
