Wer war zuerst da? Wenn Supraleitung versteckten Magnetismus sichtbar macht

Anbieter zum Thema

ET System electronic GmbH

DMB Technics AG

Was, wenn Supraleitung gar nicht der Auslöser magnetischer Effekte ist, sondern ihren schon lange verborgenen Magnetismus ans Licht bringt? Eine Publikation zeigt, wie sogenannte Altermagnete genau dadurch sichtbar werden, dass die Supraleitung gezwungen wird, ihre Symmetrien zu brechen.

In der Festkörperphysik gilt Supraleitung seit Jahrzehnten als Paradebeispiel für einen hochsymmetrischen Quantenzustand. Elektronen bilden Cooper-Paare, elektrische Widerstände verschwinden, und viele Störungen, die im Normalzustand relevant sind, verlieren an Bedeutung. Doch genau diese „Ordnung“ macht Supraleitung zu einem empfindlichen Detektor für etwas, das bislang oft übersehen wurde: eine neuartige Form von Magnetismus, den sogenannten „Altermagnetismus“.

Eine aktuelle Arbeit von Aline Ramires in „Physical Review Research“ zeigt, dass Supraleitung nicht nur ein passiver Zustand ist, sondern aktiv verborgene magnetische Ordnungen sichtbar machen kann. Der Artikel trägt den Titel „From pure to mixed: Altermagnets as intrinsic symmetry-breaking indicators“ und verbindet Gruppentheorie, Supraleitung und reale experimentelle Rätsel zu einem überraschend geschlossenen Bild.

Was Altermagnetismus von Ferro- und Antiferromagnetismus unterscheidet

Klassischer Ferromagnetismus ist leicht zu erkennen. Alle Spins zeigen in dieselbe Richtung, ein makroskopisches Magnetfeld entsteht. Antiferromagnetismus ist subtiler, weil sich benachbarte Spins kompensieren, doch die magnetische Ordnung bleibt lokal eindeutig.

Altermagnetismus steht dazwischen und zugleich außerhalb dieses Schemas. In einem Altermagneten gibt es kein Netto-Magnetfeld wie im Ferromagneten und auch keine einfache Spin-Alternation wie im Antiferromagneten. Dennoch sind die elektronischen Energiebänder spin-aufgespalten, so als wäre ein Magnetfeld vorhanden. Für die Elektronen ist Magnetismus also „spürbar“, für viele Messmethoden jedoch nahezu unsichtbar. Genau diese Eigenschaft macht Altermagnetismus experimentell schwer fassbar. Und genau hier setzt die Idee des Papers an.

Supraleitung als Symmetrie-Detektor

Der zentrale Gedanke der Publikation lautet: Wenn ein Material altermagnetisch ist, zwingt diese verborgene Ordnung eine einsetzende Supraleitung dazu, bestimmte räumliche oder zeitliche Symmetrien zu brechen. Diese Symmetriebrüche sind messbar.

Mit anderen Worten: Nicht die Supraleitung erzeugt neue magnetische Effekte. Vielmehr legt sie offen, dass eine magnetische Ordnung bereits vorhanden war. Supraleitung wird damit zu einem Diagnosewerkzeug für Altermagnetismus.

Das Rätsel um Sr₂RuO₄

Das Material Sr₂RuO₄ beschäftigt Forscher seit über zwanzig Jahren. Verschiedene Experimente lieferten widersprüchliche Ergebnisse. Der so genannte Kerr-Effekt deutete auf eine gebrochene Zeitumkehrsymmetrie hin. μSR-Messungen im Volumen sahen diesen Effekt nicht. Rastertunnelmikroskopie zeigte zwei nicht äquivalente Oberflächenplätze, die sich theoretisch nicht erklären ließen.

Die Publikation schlägt eine elegante Lösung vor. Die Oberfläche von Sr₂RuO₄ kann altermagnetisch sein, während das Volumen diese Ordnung nicht aufweist. Tritt an dieser Oberfläche Supraleitung auf, muss sie aufgrund der vorhandenen altermagnetischen Struktur räumliche Symmetrien reduzieren. Diese Reduktionen entsprechen auch den experimentell beobachteten Effekten. Damit werden Oberflächen- und Volumenmessungen erstmals konsistent erklärbar.

Die merkwürdigen Effekte in 4Hb-TaS₂

Noch rätselhafter erschien das Verhalten des Schichtmaterials 4Hb-TaS₂. Dort wurden eine spontane Vortex-Phase ohne äußeres Magnetfeld, ein sogenannter magnet memory effect und ferromagnetisch anmutende Signaturen beobachtet. Gleichzeitig ließ sich kein echter Ferromagnetismus nachweisen.

Auch hier liefert die altermagnetische Sichtweise eine schlüssige Erklärung. Das Material befindet sich bereits in einem altermagnetischen Zustand. Wenn Supraleitung einsetzt, zwingt diese Ordnung das System, seine räumlichen Symmetrien zu brechen. Die daraus entstehenden Effekte wirken wie Ferromagnetismus, sind jedoch lediglich eine Folge der Symmetriereduktion und nicht die Ursache. Die scheinbar ferromagnetischen Phänomene sind also sekundäre Effekte eines verborgenen Altermagneten.

Zeitumkehrsymmetriebruch neu interpretiert

Ein besonders weitreichender Schluss der Publikation betrifft den sogenannten time-reversal symmetry breaking bei Eintritt der Supraleitung. Solche Beobachtungen wurden bisher häufig als Hinweis gedeutet, dass die Supraleitung selbst einen ungewöhnlichen, möglicherweise magnetischen Charakter besitzt.

Die neue Interpretation kehrt diese Sichtweise um. Wenn beim Übergang in den supraleitenden Zustand die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen erscheint, kann dies ein Indiz dafür sein, dass das Material bereits zuvor altermagnetisch war. Die Supraleitung macht diese verborgene Ordnung nur sichtbar. Bei der Zeitumkehrsymmetrie wird analysiert, ob ein physikalischer Prozess gleich aussieht, wenn man die Zeit rückwärts laufen lässt.

Die Rolle der Gruppentheorie

Die Abbildungen und Tabellen der Publikation zeigen detailliert, wie sich altermagnetische, ferromagnetische und gemischte Ordnungen formal über irreduzible Darstellungen der jeweiligen Punktgruppen beschreiben lassen. Wird die Symmetrie eines Systems durch Oberflächen, Spannungen oder Gitterdefekte reduziert, können sich „reine“ altermagnetische Zustände in gemischte Zustände verwandeln, die ferromagnetische Komponenten enthalten. Diese formale Struktur liefert den mathematischen Beweis für die im Experiment beobachteten Übergänge.

Warum diese Arbeit so wichtig ist

Das Paper verbindet drei bislang getrennte Bereiche: Supraleitung, Magnetismus und Symmetrieanalyse. Statt Altermagnetismus direkt nachweisen zu wollen, kann man untersuchen, wie sich Supraleitung in einem Material verhält. Zeigt sie ungewöhnliche Symmetriebrüche, liegt die Ursache möglicherweise nicht in der Supraleitung, sondern in einer verborgenen altermagnetischen Ordnung. Damit wird Supraleitung zu einer Art Sonde für eine der aktuell spannendsten Klassen von Quantenmaterialien. (mr)

(ID:50702034)