Et forskerteam ledet av det amerikanske energidepartementets SLAC National Accelerator Laboratory har funnet tydelige tegn på at altermagnetisme er en egen magnetisk fase. Resultatene er publisert i tidsskriftet Science og kan få betydning for framtidens datamaskiner, minneteknologi og elektronikk.

Forskerne undersøkte materialet mangantellurid (MnTe), som i mange tiår har vært klassifisert som en antiferromagnet. Målingene viste en egenskap kalt kiralitet – en form for «håndethet» i materialets magnetiske struktur – som ikke skal finnes i konvensjonelle antiferromagneter.

To kjente former for magnetisme

Magnetisme henger sammen med en kvanteegenskap hos elektroner som kalles spinn. Spinn er ikke en faktisk rotasjon av elektronet, men oppfører seg på enkelte måter som om elektronet har et eget dreieimpuls. Forskere beskriver ofte de to mulige spinnretningene som «opp» og «ned».

Når elektronspinn organiserer seg i bestemte mønstre, kan materialer få magnetiske egenskaper. Det betyr imidlertid ikke nødvendigvis at materialet lager et magnetfelt som kan registreres utenfra.

I ferromagnetiske materialer peker elektronspinnene i samme retning – opp-opp-opp eller ned-ned-ned. Den samlede effekten skaper magnetfeltet vi forbinder med vanlige magneter. Materialer med denne egenskapen har vært brukt av mennesker i tusenvis av år.

Antiferromagneter fungerer annerledes. Denne kategorien ble identifisert i 1933, og her peker nabospinn i motsatte retninger: opp-ned-opp-ned. De magnetiske bidragene opphever hverandre, slik at materialet ikke får noen samlet magnetisering.

En kombinasjon som ikke passet inn

I nesten ni tiår var ferromagnetisme og antiferromagnetisme det grunnleggende rammeverket for å forstå magnetisk orden i materialer. De siste årene har eksperimenter imidlertid vist egenskaper som ikke passer helt inn i noen av kategoriene.

Noen materialer har vekslende spinnretninger og ingen samlet magnetisering, slik antiferromagneter har. Samtidig kan de føre spinnstrømmer – en egenskap som forbindes med ferromagnetisk oppførsel. Spinnstrømmer gjør det mulig å overføre informasjon ved hjelp av elektronspinn, i stedet for å være helt avhengig av elektrisk ladning.

I 2022 innførte forskere betegnelsen «altermagneter» for materialer i denne foreslåtte tredje klassen. Den avgjørende forskjellen ligger i hvordan atomene er ordnet. Altermagneter har vekslende spinnretninger, men krystallstrukturene rundt de motsatt rettede spinnene er rotert i forhold til hverandre.

Denne rotasjonen bryter en form for symmetri som finnes i vanlige antiferromagneter. Forskjellen er subtil, men kan endre hvordan elektronene oppfører seg. Dermed kan altermagneter kombinere egenskaper som tidligere ble ansett som uforenlige.

Kiralt signal skulle avgjøre spørsmålet

Selv om det allerede fantes flere tegn på altermagnetisme, trengte forskerne et avgjørende bevis for å vise at fenomenet faktisk representerte en egen magnetisk fase.

«I 2024 var det flere faktorer som talte sterkt for at altermagnetisme var reelt, men det manglet fortsatt en brikke i puslespillet», sa hovedforfatter Daniel Jost, forsker ved SLAC og Stanford Institute for Materials and Energy Sciences.

Den manglende brikken var kiralitet, som også kan beskrives som «håndethet». Et objekt er kiralt når speilbildet ikke kan legges nøyaktig oppå originalen. Menneskehender er et enkelt eksempel: Venstre og høyre hånd er speilbilder av hverandre, men en venstrehånd passer ikke ordentlig i en høyrehanske.

I en altermagnet kan den uvanlige kombinasjonen av atomstruktur og elektronspinn skape denne typen håndethet i materialets elektroniske og magnetiske struktur. Konvensjonelle antiferromagneter har ikke det samme karakteristiske kirale signalet.

Forskerne valgte derfor mangantellurid som testmateriale. Materialet hadde lenge vært regnet som en vanlig antiferromagnet, men nyere studier hadde reist spørsmålet om det egentlig kunne tilhøre den nye kategorien.

Røntgenmålinger avslørte forskjellen

Undersøkelsene ble gjennomført ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike. På anleggets ID32-strålelinje kan forskerne bruke nøyaktig kontrollerte, polariserte røntgenstråler til å studere svært subtile magnetiske strukturer.

Teamet brukte sirkulært polariserte røntgenstråler. Det elektriske feltet i slike stråler roterer enten i venstrehendt eller høyrehendt retning når lyset beveger seg. Ved å måle hvordan materialet spredte de to lystypene, kunne forskerne lete etter tegn på kiralitet.

«Kირale materialer sprer venstrehendte polariserte røntgenstråler annerledes enn høyrehendte. Ikke-kirale materialer ville spre hver av lysstrålene på samme måte», forklarte Jost.

Eksperimentet viste en tydelig forskjell i hvordan mangantellurid reagerte på de to røntgenpolariseringene. Den særpregede kirale responsen var nettopp signalet forskerne ventet å finne ved altermagnetisme, og skal ikke være til stede i en konvensjonell antiferromagnet.

«Dette kirale signalet ga oss et solid eksperimentelt grunnlag for å si at altermagnetisme er i en klasse for seg», sa Jost.

Forskerne gjennomførte det første eksperimentet i 2024. Tidlig i 2025 vendte de tilbake og gjentok målingene. Resultatene lot seg reprodusere, noe som styrket bevisene for den nye magnetiske fasen.

«Denne teknikken hjalp oss med å bekrefte at mangantellurid faktisk hadde altermagnetiske egenskaper. Altermagnetisme ble bare foreslått for noen få år siden, og den raske framgangen med å bekrefte disse modellene er utrolig», sa Rachel Nickel, postdoktor ved ESRF og medforfatter som bidro til å utforme og gjennomføre eksperimentet ved ID32-strålelinjen.

Kan bli viktig for spintronikk

Oppdagelsen kan få betydning for spintronikk, et felt som forsøker å bruke elektronspinn til å utvikle mer avanserte elektroniske enheter.

Vanlig elektronikk lagrer og behandler først og fremst informasjon ved å kontrollere elektronenes elektriske ladning. Spintronikk tar i tillegg i bruk elektronspinn. Det kan åpne for enheter som arbeider raskere, tåler forstyrrelser bedre og bruker betydelig mindre strøm.

Slike egenskaper kan være særlig verdifulle i dataminner, store datasentre og annen teknologi som behandler enorme informasjonsmengder. De to tradisjonelle magnetismetypene har samtidig hver sine utfordringer som har begrenset utviklingen av spintroniske systemer.

«Ferromagneter påvirkes for lett av magnetfelt», forklarte Jost. «Hvis du har en permanentmagnet i lommen og går forbi en spintronisk enhet som er bygget med ferromagneter, kan du begynne å snu bitene og rote til informasjonen som er lagret der. Antiferromagneter løser det problemet, men de er i praksis usynlige – så du kan ikke enkelt lese dataene som er lagret i dem eller bruke dem til å drive effektive spinnstrømmer.»

Altermagneter kan gi en annen kombinasjon. På samme måte som antiferromagneter har de motstående spinn som gir null samlet magnetisering. Det kan beskytte materialet mot uønsket magnetisk påvirkning. Samtidig gjør den uvanlige elektroniske strukturen det mulig å lage spinnpolariserte strømmer som kan brukes til å hente ut informasjon.

«Altermagneter kombinerer det beste fra begge», sa Jost. «De har null nettomagnetisering, så de er stabile, men de har fortsatt evnen til å generere spinnpolariserte strømmer som trengs for å hente ut informasjon på en enkel måte. Det gir deg en ekstra frihetsgrad å arbeide med.»

Et nytt materialeområde

Bekreftelsen av altermagnetisme gir forskere en ny klasse materialer å undersøke og forsøke å tilpasse for teknologiske formål. Kombinasjonen av magnetisk stabilitet og muligheten til å kontrollere spinnbasert informasjon kan bidra til å løse utfordringer som har begrenset konvensjonelle spintroniske enheter.

Neste steg blir å finne ut hvordan altermagnetiske tilstander kan styres ved hjelp av ytre påvirkning, som lys og elektrisitet. Forskerne håper at bedre kontroll kan gjøre det mulig å utvikle praktiske enheter som utnytter de uvanlige magnetiske egenskapene.

Det vil fortsatt kreve betydelig utviklingsarbeid før materialene eventuelt kan tas bredt i bruk. Resultatene gir likevel et sterkere eksperimentelt grunnlag for videre forskning på kvanteteknologi, dataminner og mer energieffektive datasentre. Forskningen fikk delvis finansiering fra DOE Office of Science.