Im Labor der Universität Chicago entdeckten Wissenschaftler ein unerwartetes Verhalten von Elektronen in dem geschichteten magnetischen Material Fe₅GeTe₂: Millionen von Teilchen bewegen sich gemeinsam extrem langsam, behalten dabei aber die Quantenkohärenz. Dieses Phänomen widerspricht den bestehenden theoretischen Modellen und eröffnet den Weg zu neuen Arten von Speicherbauelementen.
Das Material Fe₅GeTe₂ gehört zur Familie der Van-der-Waals-Magnete, die sich in Form atomar dünner Schichten herstellen lassen. Die Forscher unter der Leitung von Professor Shuolong Yang nutzten die Methode der winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie. Sie bestrahlten die Probe mit einem Ultraviolettlaser auf einem Abschnitt von nur 10 Mikrometern und sahen eine flache elektronische Zone – ein Anzeichen dafür, dass die Elektronen sich bei der Bewegung durch das Material kaum beschleunigen.
Unter gewöhnlichen Bedingungen verhalten sich Elektronen in einem Leiter wie Wasser, das einen steilen Hang hinabstürzt. Hier jedoch ist der Hang nahezu horizontal: Die Teilchen bewegen sich tausendfach langsamer, wirken aber abgestimmt wie ein einziges Quantenensemble. „Wir messen nicht ein einzelnes Elektron, sondern die Wechselwirkung von Tausenden oder Millionen, und alle bewegen sich kohärent“, erläutert Yang.
Dieses Verhalten bleibt bis zu einer Temperatur von 100 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt erhalten – ein relativ hoher Wert für Quanteneffekte. Das macht das Material für praktische Anwendungen vielversprechend, wenngleich es bis zur Raumtemperatur noch weit ist. Die Wissenschaftler prüfen bereits die Möglichkeit, Zustände mit einem Laser umzuschalten, was die Grundlage für einen nichtflüchtigen Speicher der neuen Generation bilden könnte.
Die Entdeckung zwingt dazu, die Vorstellungen über die magnetischen Wechselwirkungen im Inneren von Fe₅GeTe₂ zu überdenken. Die Theoretiker müssen nun neu beschreiben, wie die magnetische Struktur dieses Stoffes aufgebaut ist. Gleichzeitig planen die Experimentatoren, die Eigenschaften in einer einatomigen Schicht zu untersuchen – gerade in dieser Form könnte das Material in künftigen Quantengeräten Anwendung finden.
Die Arbeit ist dem Andenken an den herausragenden Theoretiker Peter Littlewood gewidmet, der einen großen Beitrag zur Erforschung von Quantenmaterialien geleistet hat. Ihre Ergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht und haben bereits das Interesse von Spezialisten für zweidimensionale Magnete geweckt.
