Altermagnetismus: Die Quanten-Wendung, die ein Jahrhundert Physik umschreibt

Seit über einem Jahrhundert arbeiteten Physiker mit einem scheinbar unerschütterlichen Verständnis des Magnetismus und kategorisierten alle kollinearen Magnete in eine von zwei fundamentalen Arten: Ferromagnete oder Antiferromagnete. Diese binäre Sichtweise, ein Eckpfeiler der Festkörperphysik, wurde nun eindeutig in Frage gestellt. Die jüngste Entdeckung des Altermagnetismus, einer bisher unbekannten fundamentalen Klasse des Magnetismus, hat nicht nur dieses etablierte Paradigma umgeworfen, sondern auch ein völlig neues Forschungsgebiet mit tiefgreifenden Auswirkungen auf Quantenmaterialien und zukünftige Informationstechnologien eröffnet.

Die Bedeutung dieses Durchbruchs wurde durch die Verleihung des Europhysics Prize 2026 der Condensed Matter Division der Europäischen Physikalischen Gesellschaft (EPS) an Professor Jairo Sinova, Dr. Libor Šmejkal und Professor Tomas Jungwirth unterstrichen. Ihre bahnbrechende Arbeit zur Etablierung des Altermagnetismus als dritte elementare Form des kollinearen Magnetismus wurde im Juli 2026 gewürdigt und wird im September 2026 auf der 32. Generalkonferenz der Condensed Matter Division der Europäischen Physikalischen Gesellschaft in Graz, Österreich, präsentiert und damit eine Entdeckung gefeiert, die über 100 Jahre lang verborgen geblieben war.

Lehrbücher neu schreiben: Ein Jahrhundert Annahmen in Frage gestellt

Die traditionelle Vorstellung vom Magnetismus war klar. Ferromagnete wie Eisen besitzen eine Netto-Magnetisierung aufgrund ausgerichteter Atomspins, was sie für magnetische Speicher unverzichtbar macht. Diese Materialien sind die Grundlage moderner magnetischer Speichertechnologien, sind aber typischerweise auf Gigahertz-Geschwindigkeiten beschränkt. Antiferromagnete hingegen haben entgegengesetzte magnetische Momente, die sich gegenseitig aufheben, was zu keiner Netto-Magnetisierung führt und grundlegend andere elektronische Eigenschaften aufweist. Sie erscheinen äußerlich magnetisch stumm und bieten extreme Stabilität sowie Beständigkeit gegenüber externen magnetischen Interferenzen, was sie für extrem dichte Speicher attraktiv macht, bei denen Übersprechen zwischen Bits ein Problem darstellt. Ihre mangelnde Netto-Magnetisierung hat es jedoch historisch erschwert, sie für die Speicherung zu nutzen, da die Erfassung ihres internen Zustands spezielle Methoden erfordert.

Altermagnetismus stellt eine echte Mischform dar, die Eigenschaften beider kombiniert. Wie Antiferromagnete besitzen Altermagnete keine Netto-Magnetisierung und somit kein externes Magnetfeld. Doch wie Ferromagnete zeigen sie gleichzeitig elektronische Eigenschaften, die zuvor als ausschließlich ferromagnetisch galten, wie spinpolarisierte elektrische Ströme. Diese einzigartige Kombination beruht auf einer spezifischen Drehung in ihrer Kristallsymmetrie: Während benachbarte Spins antiparallel sind, sind sie durch eine Rotation und nicht durch eine einfache Inversion oder Translation miteinander verbunden. Dies ermöglicht hochgradig spinpolarisierte elektrische Ströme zusammen mit ultraschneller magnetischer Dynamik, wodurch die Grenzen traditioneller Magnete überwunden werden.

Das Versprechen einer verborgenen magnetischen Phase

Diese neuartige Form der magnetischen Ordnung bietet ein immenses Potenzial, insbesondere für Spintronik-Geräte der nächsten Generation. Unser aktuelles Informationszeitalter basiert stark auf der Ladung von Elektronen für die Datenverarbeitung und ihrem magnetischen Spin für die Datenspeicherung. Während Ferromagnete die digitale Ära ermöglichten, behindern ihre Geschwindigkeitsbegrenzungen (Gigahertz) eine effiziente Verbindung zu schnelleren Terahertz-Glasfaserkommunikationsnetzwerken und dem Internet der Dinge. Konventionelle Antiferromagnete erzeugen, obwohl potenziell tausendmal schneller, zu schwache Signale für eine praktische Detektion. Altermagnete überbrücken diese Lücke, indem sie Terahertz-Geschwindigkeiten mit robusten spinpolarisierten Signalen kombinieren und so eine neue Grundlage für Informationstechnologien bieten.

Die ersten Schritte zu dieser Entdeckung ergaben sich aus früheren theoretischen Arbeiten zu unkonventionellen magnetischen Transportphänomenen. Die Forscher erkannten, dass ungewöhnliche Eigenschaften, wie der kristalline anomale Hall-Effekt, keine isolierten materialspezifischen Verhaltensweisen waren, sondern eine völlig neue magnetische Phase widerspiegelten, die durch bisher übersehene Spinkonfigurationen bestimmt wird. Dr. Libor Šmejkal, der von 2016 bis 2024 an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz tätig war, leitete die Entwicklung vieler dieser theoretischen Konzepte. Im Jahr 2022 stellte das Team die vollständige Symmetrieklassifikation des Altermagnetismus vor und identifizierte Hunderte von Kandidatenmaterialien. Seitdem haben experimentelle Gruppen weltweit seine Existenz schnell mit verschiedenen Techniken bestätigt, darunter winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) und elektrische Transportmessungen. Heute ist der Altermagnetismus zu einem der am schnellsten wachsenden Forschungsgebiete in der Festkörperphysik geworden, mit Forschungsprogrammen, die mittlerweile Europa, Nordamerika und Asien umfassen.

Über technologische Anwendungen hinaus hat die Entdeckung tiefgreifende Auswirkungen auf die Grundlagenphysik. Der Altermagnetismus etabliert eine neue Symmetrieklasse der Materie und bietet unerwartete Verbindungen zur topologischen Physik, unkonventionellen Supraleitung und stark korrelierten Quantenmaterialien. Er zeigt, dass selbst die reifsten Wissenschaftsfelder noch fundamentale Überraschungen bereithalten können, die unser Verständnis magnetischer Ordnung neu gestalten und Wege für völlig neue Forschungen eröffnen.