In der aktuellen Studie beschäftigen sich die Forschenden mit einem besonderen Material: dem zweidimensionalen, magnetischen Halbleiter Chrom-Sulfid-Bromid (CrSBr). Es besteht aus vielen, nur einen Nanometer dünnen Schichten, die nur schwach aneinander haften. Jede Schicht verhält sich wie ein kleiner Magnet, wobei die jeweiligen Nachbarschichten magnetisch entgegengesetzt ausgerichtet sind.

Das Material ist jedoch nicht nur magnetisch, sondern auch optisch aktiv – es reagiert also sichtbar auf Licht – und lässt sich mit spektroskopischen Methoden untersuchen. Im cryogenen Experiment, also bei sehr tiefen Temperaturen, konnten die Forschenden zeigen, dass sich die Magnetisierung einzelner Schichten gezielt mit Magnetfeldern verändern lässt. Diese Veränderungen wirken sich direkt auf die optischen Eigenschaften aus, die präzise verfolgt und sichtbar gemacht werden können. Die Experimente zeigen, wie die Magnetisierung des Materials sich Schicht für Schicht schrittweise ändert. Gleichzeitig geben sie neue Hinweise auf den Ursprung der charakteristischen Strahlung bei Anregung mit Licht.

Die Arbeit entstand an der Schnittstelle zwischen Grundlagen- und Anwendungsforschung. Die Forschenden untersuchen Kristalle, die nur wenige Nanometer dünn sind, um neuartige magnetische Speicherelemente zu entwickeln, die sich optisch auslesen lassen, um Daten schneller und energiesparender zu speichern. „Als erstes müssen wir dazu verstehen, wie in diesen Kristallen Licht und Magnetisierung gekoppelt sind, was die Motivation für diese Arbeit war“, so Professor Bernhard Urbaszek, Letztautor der Studie. Die Forschungsergebnisse sind für die Bereiche Elektronik, Optik und Quantentechnologie relevant.

An der Forschung waren neben dem Institut für Physik Kondensierter Materie der TU Darmstadt auch die University of Chemistry and Technology Prag sowie das National Institute for Materials Science in Tsukuba (Japan) beteiligt. Forschende der TU Darmstadt stellten aus großen CrSBr Kristallen die nur Nanometer-dünnen CrSBr Proben her. Die Dicke der Proben wurde mit sub-Nanometer Auflösung gemessen (Arbeitsgruppe Professorin Regine von Klitzing). Die Magneto-optischen Experimente wurden von Lukas Krelle und Ryan Tan aufgebaut und dann für neue Erkenntnisse genutzt (Arbeitsgruppe Professor Bernhard Urbaszek).

Hybrid Quantumsystems Group/sip