Ein neuartiger Magnet versprach einen 1.000-mal schnelleren Speicher. Wie nah sind wir dran?

Arten des Magnetismus

Es gibt zwei Arten von Magneten. Zumindest dachten wir das. Die erste kennen Sie: Ein Kühlschrankmagnet haftet, eine Kompassnadel schlägt nach Norden aus. Die zweite wurde in den 1930er-Jahren beschrieben und haftet an nichts.

Ihre Atome sind im Inneren magnetisiert, doch von außen wirkt sie überhaupt nicht magnetisch. 2024 bestätigten Experimente, dass einige dieser stillen Materialien zu einer dritten Art gehören. Physiker nennen sie Altermagnetismus: ein verborgenes magnetisches Muster, das sich je nach Richtung durch den Kristall verändert. Im Juli 2026 gewannen die drei Physiker, die ihn definierten, den Europhysics Prize.

Einige Videos versprechen bereits, dass er Elektronik tausendmal schneller machen wird. Eine tausendfache Zahl steht tatsächlich in einer universitären Pressemitteilung, aber sie ist eine Projektion, keine Messung. Was ist dieser dritte Magnet, warum dauerte seine Benennung so lange, und wie nah ist er an einer Nutzung?

Magnetismus kommt von Elektronen

Der Magnetismus, von dem wir sprechen, kommt hauptsächlich von Elektronen. Jedes Elektron verhält sich wie ein winziger Magnet, verbunden mit einer Quanteneigenschaft namens Spin. In den meisten Materialien zeigen diese winzigen Magnete in alle Richtungen und heben sich auf. In Eisen richten sie sich über riesige Atomzahlen hinweg gleich aus.

Diese ausgerichteten Atome erzeugen ein fühlbares Feld, und ein solches Material ist ein Ferromagnet. Ferromagnete sind, so Physiker, seit mehreren tausend Jahren bekannt. Stellen Sie sich ein Sportfeld voller Menschen vor, die alle nach Norden blicken. Von der Tribüne sähen Sie eine Menge, die in dieselbe Richtung blickt.

Im Ferromagneten geschieht noch etwas: Elektronen mit Spin nach oben und unten haben unterschiedliche Energien. Physiker nennen das Spinaufspaltung. Deshalb lassen sich Magnete elektrisch auslesen: In einem geschichteten Bauelement verändert eine andere Ausrichtung zweier Magnetschichten den elektrischen Widerstand. Behalten Sie zwei Merkmale im Kopf: ein nach außen reichendes Feld und nach Spin aufgespaltene Elektronenenergien.

Der dritte Magnet behält eines davon und verliert das andere.

Néels verborgene Ordnung

In seiner Dissertation von 1932 schlug der französische Physiker Louis Néel etwas anderes vor. Benachbarte atomare Magnete könnten dazu neigen, in entgegengesetzte Richtungen zu zeigen. 1936 beschrieb er einen Kristall aus zwei ineinandergreifenden Atomgruppen, eine nach oben, die andere nach unten. Die Gruppen heben sich auf, daher ist die Gesamtmagnetisierung null.

Das ist Antiferromagnetismus. Denken Sie an ein Schachbrett: Schwarze und weiße Felder wechseln sich ab, aus der Ferne wirkt es grau. Neutronen, die eigene winzige Magnete tragen, ermöglichten es Physikern, diese verborgene Ordnung direkt zu sehen. Ernest Wollan begann 1944 Neutronenexperimente am Graphite Reactor in Oak Ridge, Clifford Shull kam 1946 dazu.

1949 richteten Shull und sein Kollege Smart Neutronen auf Manganoxid. Sie fanden neue Beugungsmaxima eines magnetischen Musters, das sich entlang jeder Kristallachse mit doppeltem Abstand wiederholt. Das verborgene Schachbrett war real. Louis Néel teilte 1970 den Nobelpreis für Physik für Arbeiten zu Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus.

Ferrimagnetismus ist ein verwandter Fall: Die entgegengesetzten atomaren Magnete sind unterschiedlich groß, sodass Magnetisierung übrig bleibt. Genau genommen gab es also nie nur zwei Arten von Magneten. Es gibt auch Spiralen, gefrorene glasartige Zustände mit feststeckenden Atommagneten und weitere Ausrichtungsmuster. Doch für Magnete mit gerade nach oben oder unten zeigenden Atomen blieb die Einteilung in Lehrbüchern einfach.

Alle gleich ausgerichtet: Ferromagnet. Abwechselnd und sich aufhebend: Antiferromagnet. In seiner Nobelvorlesung nannte Néel Antiferromagnete theoretisch äußerst interessant, sagte aber, sie schienen keine Anwendungen zu haben. Jahrzehntelang schien das zu stimmen.

Still, aber schwer auszulesen

Dann setzte sich magnetische Speicherung durch. 1988 entdeckten Albert Fert und Peter Grünberg unabhängig voneinander den Riesenmagnetowiderstand. Er macht aus winzigen magnetischen Änderungen Unterschiede im elektrischen Widerstand. Die ersten Festplatten-Leseköpfe damit kamen 1997, und die Entdeckung gewann 2007 den Nobelpreis für Physik.

Magnetische Speicherchips, MRAM genannt, speichern Bits ebenfalls als Magnete; die Daten bleiben ohne Strom erhalten. Doch ein ferromagnetisches Bit bringt ein Problem mit. Sein Feld tritt als Streufeld aus dem Material aus, sodass dicht gepackte Bits einander stören können. Ein Antiferromagnet hat fast kein Streufeld und beseitigt damit eine mögliche Störung benachbarter Bits.

In einem Test konnten Felder bis 12 Tesla, einer Einheit für Magnetfeldstärke und mehr als tausendmal stärker als das Feld eines Kühlschrankmagneten, antiferromagnetische Speicherbits nicht stören. Antiferromagnete könnten außerdem schneller sein. 2018 schrieb ein Team Daten in einen Speicher aus Kupfer, Mangan und Arsen, mit Pulsen von 250 Pikosekunden,

jeder eine Viertelmilliardstel Sekunde lang, bei bis zu 4 Gigahertz, also vier Milliarden Zyklen pro Sekunde. Dann nutzten sie Terahertz-Pulse, Lichtblitze mit einer Billion Schwingungen pro Sekunde. Jeder dauerte etwa eine Pikosekunde, also ein Billionstel einer Sekunde. Ihrer Darstellung zufolge war vergleichbares Schalten in Ferromagneten kaum über 5 Gigahertz hinausgekommen. Sie schätzten, ein auf Terahertz-Geschwindigkeit gebrachter Ferromagnet müsste gegenüber ihrem Antiferromagneten

etwa hundertmal mehr Strom durch dieselbe Fläche und ungefähr tausendmal mehr Energie benötigen. Antiferromagnete sind also stabil, dicht packbar und schnell. Doch ein starkes elektrisches Signal aus ihnen zu gewinnen, ist schwieriger. Der Physiker Libor Šmejkal nannte Magnetisierung sowohl einen "Feind" als auch eine nützliche Eigenschaft.

Antiferromagnete lassen sich elektrisch auslesen, doch ihnen fehlt die starke Spinaufspaltung ferromagnetischer Bauelemente. Sie sind ruhig genug, um magnetisches Übersprechen zu verringern, aber schwerer auszulesen und zu steuern. Ingenieure wollten einen Magneten, der so ruhig wie ein Antiferromagnet ist und so auslesbare Elektronen wie ein Ferromagnet besitzt.

Die fehlende Drehung

Im Januar 2019 stellten Šmejkal, Jairo Sinova, Tomáš Jungwirth und ihr Kollege González-Hernández eine Vorhersage über einige Antiferromagnete online. Sie argumentierten, dass einige dieser Magnete trotz aufgehobener winziger Atommagnete ein Hall-Signal erzeugen könnten: eine Spannung quer zum Material, rechtwinklig zum Strom, wie man sie meist mit Ferromagneten verbindet.

2022 veröffentlichten Šmejkal, Sinova und Jungwirth, die in Mainz, Deutschland, und Prag, Tschechien, arbeiteten, eine vollständige Klassifikation. Sie ordneten Magnete mit aufgehobenen winzigen Atommagneten über eine Symmetriefrage: Welche Bewegung lässt ein Muster gleich aussehen? Welche Bewegung verwandelt nach oben zeigende Atome in nach unten zeigende? Bei einem gewöhnlichen Antiferromagneten bildet eine Verschiebung um einen Schritt oder eine Inversion durch einen Mittelpunkt die oberen Atome auf die unteren ab.

Diese Bewegung muss auch zu den Atomen in der Umgebung passen. In der neuen Klasse funktioniert weder Verschiebung noch Inversion allein; für die umgebenden Atome braucht es eine Drehung. Das Team schlug den Namen Altermagnetismus vor. Science News entlehnte ein Bild aus der Kunst: Ist ein Antiferromagnet ein Schachbrett, gleicht ein Altermagnet

einer Parkettierung von M. C. Escher, mit ineinandergreifenden Formen ohne Lücken. Benachbarte Kacheln ändern nicht nur ihre Farbe, sie sind auch gedreht. Das magnetische Atom selbst dreht sich nicht, aber seine Umgebung. Jedes magnetische Atom sitzt in einem kleinen Käfig aus Nachbaratomen, etwa Sauerstoff oder Tellur.

In einem Altermagneten zeigt der Käfig um ein oberes Atom in eine Richtung, der Käfig um ein unteres ist gedreht. Und Altermagnetismus, schrieben sie, kann in Kristallen aus häufigen leichten Elementen auftreten.

Elektronen werden nach Richtung aufgespalten

Der gedrehte Käfig verändert, wie sich Elektronen bewegen. In einem Altermagneten haben Elektronen mit Spin nach oben und nach unten unterschiedliche Energien, wie in einem Ferromagneten. Aber der Unterschied hängt von der Bewegungsrichtung des Elektrons ab und wechselt sein Vorzeichen, wenn sich diese Richtung dreht. Stellen Sie sich als einfaches Beispiel eine Kreuzung mit vier Richtungen vor.

Auf der Nord-Süd-Straße bekommen Elektronen mit Spin nach oben die Überholspur. Auf der Ost-West-Straße bekommen Elektronen mit Spin nach unten die Überholspur. Im gesamten Kristall heben sich die entgegengesetzten magnetischen Momente weiterhin auf, sodass kein äußeres Feld entsteht. Aber in diesem Beispiel kann ein Strom entlang einer Straße einen Spin bevorzugen.

Dieser Vorzeichenwechsel erklärt den Namen Altermagnet. In den einfachsten Fällen sieht das Muster wie ein vierblättriges Kleeblatt aus, das die Autoren mit d-Wellen-Supraleitern verglichen, bei denen die Elektronenpaarung ein ähnliches vierlappiges Muster bildet. Dieser Effekt braucht keine Spin-Bahn-Kopplung, also keine Verbindung zwischen dem Spin eines Elektrons und seiner Bewegung, die bei schweren Atomen am stärksten ist.

In ihren Berechnungen für Rutheniumdioxid erreichte die Aufspaltung für Elektronen in bestimmten Bewegungsrichtungen etwa 1 Elektronenvolt. In ihrem Vergleich von 2022 war das etwa zehnmal so viel wie die damalige Rekordaufspaltung durch relativistische Effekte in Volumenkristallen, also festen Körpern statt dünnen Schichten, mit schweren Elementen. Ein Elektronenvolt ist eine winzige Energieeinheit, aber für Elektronen in einem Kristall ist 1 Elektronenvolt viel.

Dann kamen die Tests. Im Februar 2024 berichtete ein internationales Team über Messungen an Mangan-Tellurid, MnTe, die an der Swiss Light Source des Paul-Scherrer-Instituts durchgeführt wurden. MnTe war lange als gewöhnlicher Antiferromagnet klassifiziert worden.

Sie nutzten spinaufgelöste Photoemission, bei der Licht Elektronen herausschlägt und man ihre Energie, Richtung und ihren Spin misst. Die Aufspaltung war vorhanden, und das Ergebnis wurde in Nature veröffentlicht. Eine Gruppe der Universität Tohoku in Japan maß in MnTe entlang bestimmter Richtungen eine Aufspaltung von bis zu 0,8 Elektronenvolt. MnTe behält seine magnetische Ordnung bis 307 Kelvin, etwa 34 Grad Celsius.

Im März 2024 berichtete ein Mainzer Team über die Aufspaltung in dünnen Filmen, also sehr dünnen Schichten, aus Chromantimonid, einem gut leitenden Material aus Chrom und Antimon, kurz CrSb. Im Jahr 2025 kartierte ein anderes Team die Aufspaltung in CrSb dreidimensional. Sie fanden bis zu etwa 1,0 Elektronenvolt, nahe den Energien der Elektronen, die den Strom tragen.

CrSb bleibt bis etwa 705 Kelvin geordnet, ungefähr 430 Grad Celsius. Sein Muster ist komplexer als ein Kleeblatt, mit mehr Lappen, und Physiker nennen es eine g-Welle. Später im Jahr 2024 bildete ein von der Universität Nottingham geleitetes Team MnTe mit Röntgenstrahlen am MAX-IV-Labor in Schweden ab. In einem 30 Nanometer dicken Film, tausende Male dünner als ein Haar, sahen sie bei etwa minus 173 Grad Celsius

wirbelnde Muster, sogenannte Wirbel und Antiwirbel, die sich in entgegengesetzte Richtungen winden. Indem sie den Film in bestimmte Formen brachten oder ihn in einem Magnetfeld abkühlten, konnten sie die gewünschten Anordnungen erzeugen. Peter Wadley beschrieb es als "wie Antiferromagnetismus mit einer Wendung". Nach Angaben der Universität Mainz zählte die Zeitschrift Science den Altermagnetismus zu den Durchbrüchen des Jahres 2024.

Eine Korrektur zur einfachen Geschichte: MnTe ist nicht vollkommen kompensiert. Es behält eine winzige Restmagnetisierung von etwa einem Tausendstel der magnetischen Stärke eines Elektrons pro Manganatom. Das ist winzig, doch Forschende können sie als Ansatzpunkt nutzen, um die magnetische Ordnung zu steuern.

In der Schublade verborgen

Tomáš Jungwirth sagte, Altermagnetismus existiere "in vielen Kristallen, die die Leute einfach in ihren Schubladen hatten". Eine von Science News berichtete Datenbankschätzung zählte 232 Altermagnet-Kandidaten. Das sind mehr als die 193 Ferromagnet-Kandidaten, aber deutlich weniger als die 827 Antiferromagnet-Kandidaten. Jairo Sinova sprach von einer magnetischen Phase, einem eigenständigen magnetischen Zustand, die "mehr als 100 Jahre verborgen geblieben war".

Das ist eine gute Schlagzeile, aber nicht die ganze Geschichte. Eine Arbeit von Zunger, Rashba und Kollegen aus dem Jahr 2020 führt die Theorie der magnetischen Spinaufspaltung auf Pekar und Rashba im Jahr 1964 zurück. Im August 2019 zeigten die japanischen Physiker Hayami, Yanagi und Kusunose, dass manche Antiferromagneten Elektronen auch ohne Spin-Bahn-Kopplung nach Spin aufspalten können.

Im Dezember 2019 sagte Zungers Gruppe Aufspaltungen von bis zu etwa 300 Millielektronenvolt voraus, etwa ein Drittel eines Elektronenvolts, in Manganfluorid, einem Material aus Mangan und Fluor, ebenfalls ohne Spin-Bahn-Kopplung. Manganfluorid ist nur unterhalb von 67 Kelvin geordnet, etwa minus 206 Grad Celsius. Paolo Radaelli aus Oxford wies darauf hin, dass verschiedene Autoren etwas unterschiedliche Definitionen von Altermagnetismus verwenden.

Er wies auch darauf hin, dass Piezomagnetismus, bei dem Zusammendrücken oder Dehnen eines Kristalls seine Magnetisierung verändern kann, seit den 1950er-Jahren bekannt ist. Er schreibt Šmejkal und seinen Kollegen die Prägung des Begriffs zu. Trotzdem sagte der Theoretiker Igor Mazin gegenüber Science News, dass "irgendwie niemand über diese Möglichkeit nachgedacht hatte". Die einzelnen Bausteine existierten seit Jahrzehnten, verstreut über verschiedene Arbeiten.

Was das Team aus Mainz und Prag hinzufügte, war eine vollständige Symmetrieklassifikation, ein Name und Vorhersagen, die Experimente anleiteten. Nach Angaben ihres Instituts wurde die frühe Theorie allein im Jahr 2025 mehr als 1.000-mal zitiert. Im Juli 2026 verlieh die European Physical Society Šmejkal, Sinova und Jungwirth ihren Europhysics Prize für die Entdeckung des Altermagnetismus.

Der Traum vom Speicher

Warum sollte das außerhalb eines Labors wichtig sein? Weil bereits viel Speicher magnetisch ist. 2019 kündigte Samsung die Massenproduktion von in andere Chips eingebettetem MRAM auf einem 28-Nanometer-Prozess an. Das Schreiben sei etwa 1.000-mal schneller als bei eingebettetem Flash-Speicher, und die Daten blieben ohne Strom erhalten.

2021 teilte Everspin mit, dass sein 256-Kilobit-MRAM-Chip für das Hauptantriebssystem des Elektroautos Lucid Air ausgelegt war. Samsungs Faktor von 1.000 vergleicht zwei bereits existierende Speicherarten. Das hat nichts mit Altermagneten zu tun. Ein Altermagnet verspricht beide Seiten dieser Wunschliste.

Seine Elektronen sind wie bei einem Ferromagneten nach Spin aufgespalten, sodass er prinzipiell elektrisch ausgelesen werden kann. Seine Nettomagnetisierung ist wie bei einem Antiferromagneten im Wesentlichen null, sodass Bits dicht beieinander liegen könnten, ohne Magnetfelder abzugeben. Ihr Institut sagt, eine solche Phase "kann die Skalierungsgrenzen von Ferromagneten beseitigen", also die Grenzen dafür, wie dicht Bits gepackt werden können. Die Pressemitteilung aus Nottingham ging noch weiter: Der Austausch von Komponenten könne "eine tausendfache Steigerung der Geschwindigkeit" bringen.

Das ist eine Prognose für künftige Komponenten, keine gemessene Beschleunigung. Das Schreiben mit Terahertz-Frequenz im Jahr 2018 fand in einem gewöhnlichen Antiferromagneten statt, nicht in einem Altermagneten. Wie wir sehen werden, sind die ersten Schaltversuche in Altermagneten sehr neu; ein Speicherchip ist noch weit entfernt.

Wie weit ist der Weg noch?

Wo steht die Technologie tatsächlich? Der Grundbaustein einer MRAM-Zelle ist ein magnetischer Tunnelübergang. Er besteht aus zwei Magnetschichten, dazwischen ein hauchdünner Isolator, der Strom kaum durchlässt. Sein Widerstand hängt davon ab, ob die beiden Schichten in dieselbe oder entgegengesetzte Richtung zeigen.

Diese Änderung heißt Tunnelmagnetowiderstand, kurz TMR. In ferromagnetischem MRAM kann der TMR Hunderte Prozent erreichen. Im Juni 2025 meldete ein Team der UNIST in Südkorea einen Tunnelübergang, der auf Rutheniumdioxid, RuO2, aufgebaut war und dessen Signal als Altermagnetismus gedeutet wurde.

Die anderen Schichten waren Titandioxid und ein gewöhnlicher Ferromagnet, Kobalteisenbor. Der Tunnelmagnetowiderstand erreichte bei 10 Kelvin, also minus 263 Grad Celsius, etwa 5 Prozent. Oberhalb von etwa 50 Kelvin verschwand er fast vollständig. Eine Übersichtsarbeit von Jungwirth und Kollegen aus dem Jahr 2025 sagt, Forschende erwarteten einen

Tunnelmagnetowiderstand in Altermagneten, vergleichbar mit dem von Ferromagneten. Das ist eine Vorhersage, noch keine Messung. Das zweite Problem ist das Material selbst. Rutheniumdioxid war zunächst das Aushängeschild.

Anfang 2024 nutzte ein Team am DESY in Deutschland ein Impulsmikroskop, das Energien und Richtungen von Elektronen kartiert. Das Team meldete einen verräterischen Bruch der Zeitumkehrsymmetrie, also ein Elektronenmuster, das sich bei rückwärts laufender Zeit verändert. Doch noch im selben Jahr fanden Experimente mit Myonen, kurzlebigen Teilchen, die als winzige magnetische Sonden wirken, und mit Neutronen in den untersuchten Kristallen und Filmen keine nachweisbare magnetische Ordnung.

2026 fanden weitere Messungen an Volumenkristallen keine Ordnung, während nur zwei Nanometer dünne Filme, vom Kristall darunter gedehnt oder gestaucht, ein Muster magnetischer Richtungen zeigten. Eine Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2026 fasst es so zusammen: Der magnetische Grundzustand von Rutheniumdioxid, seine energieärmste magnetische Anordnung, "bleibt umstritten." Das Signal des Tunnelübergangs ist eine echte Messung, aber ob es Altermagnetismus zeigt, bleibt umstritten.

Darum konzentriert sich dieses Video auf MnTe und CrSb. Das dritte Problem ist das Schalten. Ein Speicher muss seine Bits auf Befehl umschalten, und sie müssen dort bleiben. Die Kontrolle magnetischer Domänen, also von Bereichen mit gleich ausgerichtetem Muster, ist laut Übersichtsarbeit "eine entscheidende Voraussetzung."

Ein früheres Experiment mit Thuliumeisenoxid richtete die Ordnung nur vorübergehend neu aus; ohne Strom blieb sie nicht bestehen. Hier liefert CrSb inzwischen erste Ergebnisse. Im Februar 2025 berichtete ein Team in Nature, dass elektrische Ströme die altermagnetische Ordnung in CrSb-Filmen schalten konnten und die Filme bei Raumtemperatur ein auslesbares Hall-Signal lieferten.

Im August 2026 meldete ein anderes Team, es könne die Ordnung in Chromantimonid auslesen und in einem geschichteten Bauelement in einen gewählten Zustand schalten, das auch Platinditellurid enthielt, ein Material aus Platin und Tellur. Sie schrieben, dies könne "den Weg zu skalierbarem altermagnetischem Speicher ebnen." Es gibt auch gute Nachrichten zur Temperatur.

MnTe, CrSb und zwei neuere Vanadiumverbindungen bleiben oberhalb der Raumtemperatur geordnet. Die Bilanz sieht so aus. Die Physik ist in mehreren Materialien bestätigt. Ordnung bei Raumtemperatur gibt es, und erste Experimente zum elektrischen Auslesen und Schalten wurden gemeldet.

Was noch fehlt, ist eine elektrisch schaltende Speicherzelle bei Raumtemperatur, die ein Auslesesignal so stark wie heutiges MRAM liefert, von einem konkurrenzfähigen Chip ganz zu schweigen.

Mehr als zwei

Zurück zum Kühlschrankmagneten. Jeder kennt diesen lauten Magneten. Doch in dieser Datenbank zählen Magnete mit sich aufhebenden Momenten mehr als fünfmal so viele wie Ferromagnete. Fast ein Jahrhundert lang steckten wir die meisten dieser leisen Magnete unter eine Überschrift.

Einige sortierten ihre Elektronen die ganze Zeit in Bahnen. Für sie musste niemand ein neues Material erfinden. MnTe lag schon in der Schublade. Geändert hatte sich die Frage, die Physiker zur Symmetrie stellten.

Ob diese Frage den Speicher in unseren Geräten verändert, bleibt offen. Weitere Experimente werden zeigen, wie weit diese Materialien kommen. Vorläufig lautet die ehrliche Antwort: Es gibt mehr als zwei Magnetarten, und wir ordnen sie noch immer ein.