3. Juli 2026
Ein internationales Forschungsteam hat in Science erstmals gezeigt, wie sich magnetische Zustände mithilfe des Bahndrehimpulses von Elektronen elektrisch auslesen lassen. Jülicher Forschende haben zu diesem Meilenstein beigetragen, der einen neuen Weg für künftige Bauelemente der Orbitronik eröffnet.
Elektrische Ströme sind schnell, Magnetisierungen dauerhaft. Moderne Informationstechnik lebt davon, beides zu verbinden. Ein Schlüssel dafür war der Riesenmagnetowiderstand, kurz GMR-Effekt, für dessen Entdeckung Albert Fert und der Jülicher Forscher Peter Grünberg 2007 den Nobelpreis für Physik erhielten. Er ermöglichte deutlich höhere Speicherdichten bei Festplatten und wurde zum Ausgangspunkt der Spintronik.
Der nun nachgewiesene orbitale Magnetowiderstand ist mit dem GMR-Effekt verwandt, geht aber noch einen Schritt weiter. Wie beim GMR-Effekt verändert sich der elektrische Widerstand eines Materials in Abhängigkeit von dessen magnetischem Zustand. Das Auslesen erfolgt jedoch nicht über den Spin der Elektronen, sondern über deren Bahndrehimpuls.
„Der entscheidende Punkt ist, dass hier sogenannte orbitale Ströme direkt genutzt werden. Denn diese können deutlich effizienter erzeugt werden als herkömmliche Spinströme“, sagt Dr. Mahmoud Zeer aus der Arbeitsgruppe von Prof. Yuriy Mokrousov am Peter Grünberg Institut (PGI-1) des Forschungszentrums Jülich. „Dadurch eröffnet der Effekt einen neuen Ansatz für orbitronische Bauelemente der nächsten Generation, beispielsweise im Bereich Quantentechnologien, die schneller und energieeffizienter arbeiten als heutige spinbasierte Konzepte.“
An der Arbeit waren mehr als 20 Forschende aus mehreren internationalen Einrichtungen beteiligt. Die Experimente wurden an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz durchgeführt. Dort wurden die Bauelemente auf Basis von Proben der Universität Tokio hergestellt und vermessen. Forschende am Forschungszentrum Jülich entwickelten die theoretische Beschreibung des Effekts. Mithilfe der Hochleistungs-Elektronenmikroskope am Ernst-Ruska-Zentrum gelang es schließlich, die hohe Qualität der Grenzflächen experimentell sichtbar zu machen – ein entscheidender Faktor für den beobachteten Effekt.
Der Bahndrehimpuls beschreibt vereinfacht die Bewegung eines Elektrons um den Atomkern. Er unterscheidet sich vom Spin, einer weiteren Eigenschaft des Elektrons, der häufig anschaulich als Eigendrehung oder innerer Kompass beschrieben wird.
Ströme, die den Bahndrehimpuls der Elektronen transportieren, werden als orbitale Ströme bezeichnet. Sie gelten als vielversprechend, weil sie deutlich stärker sein können als Spinströme und sich zudem in häufig verfügbaren, vergleichsweise umweltfreundlichen Materialien erzeugen lassen. Bislang ließ sich dieses Potenzial jedoch kaum praktisch nutzen.
Der Grund: In herkömmlichen Magneten wird der Beitrag des Bahndrehimpulses zum Magnetismus durch das Kristallgitter weitgehend unterdrückt – Fachleute sprechen vom „Quenching“. Deshalb mussten orbitale Ströme bislang zunächst in Spinströme umgewandelt werden. Dieser Zwischenschritt kostet Effizienz und begrenzt die möglichen Vorteile.
Mit dem nun nachgewiesenen orbitalen Magnetowiderstand könnte dieser Umweg künftig entfallen. Entscheidend dafür ist dabei der Materialmix. Die Forschenden kombinierten nur wenige Nanometer dünne Schichten aus Kobaltoxid und oxidiertem Kupfer. Kobaltoxid ist ein antiferromagnetischer Isolator. Es leitet keinen elektrischen Strom und wirkt nach außen nahezu unmagnetisch. Im Inneren sind die magnetischen Momente jedoch streng geordnet – wobei der Bahndrehimpuls der Elektronen außergewöhnlich gut erhalten bleibt.
Oxidiertes Kupfer wiederum eignet sich besonders gut zur Erzeugung orbitaler Ströme. An der Grenzfläche treffen damit zwei komplementäre Materialien aufeinander: eine Quelle für orbitale Ströme und ein Magnet, der erstmals direkt mit ihnen wechselwirkt.
„Wir haben somit den ersten reinen orbitronischen Ansatz realisiert“, sagt Erstautorin Dr. Christin Schmitt von derJohannes-Gutenberg-Universität Mainz. „Wir konnten bewegliche Orbitalmomente erstmalig direkt mit festen Orbitalmomenten in einem Magneten koppeln: Damit haben wir einen Meilenstein in der Orbitronik erreicht und die Basis für eine deutlich energieeffizientere Datenspeicherung gelegt.“
Der gemessene orbitale Magnetowiderstand war sogar bis zu 70-mal größer als der entsprechende spinbasierte Effekt in verschiedenen Referenzproben.
Christin Schmitt, Sachin Krishnia, Mahmoud Zeer et al.
Orbital magnetoresistance in the antiferromagnet CoO driven by dynamic orbital angular momentum
Science (2026), DOI: 10.1126/science.adw1808
Head of Topological Nanoelectronics Group at Peter Grünberg Institute (PGI-1) Professor of Theoretical Physics at Johannes Gutenberg University Mainz
Director: "Physics of Nanoscale Systems" (ER-C-1), Managing Director ER-C 2025
Pressemitteilung der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz vom 3. Juli 2026
