Magnetische Anregungen könnten eine Informationsübertragung ohne Wärmeverlust ermöglichen

So wie Elektronen durch einen elektrischen Leiter fließen, können magnetische Anregungen durch bestimmte Materialien wandern. Solche Anregungen, in der Physik in Analogie zum Elektron „Magnonen“ genannt, könnten Informationen viel leichter transportieren als elektrische Leiter. Einem internationalen Forscherteam ist nun eine wichtige Entdeckung auf dem Weg zu solchen Bauteilen gelungen, die besonders energieeffizient und deutlich kleiner sein könnten.

Der Transport und die Steuerung elektrischer Ladungen bilden derzeit die Grundlage für die meisten elektronischen Bauteile. Ein großer Nachteil dieser Technologie ist, dass der Fluss elektrischer Ströme aufgrund des elektrischen Widerstands Wärme erzeugt. Angesichts der gigantischen Anzahl elektronischer Bauteile, die weltweit im Einsatz sind, ist der Energieverlust immens.

Eine energieeffiziente Alternative könnte die Verwendung von Spinwellen zum Transportieren und Verarbeiten von Informationen sein, da sie nicht annähernd so viel Abwärme produzieren. Solche Komponenten könnten auch viel kompakter sein. Wissenschaftler auf der ganzen Welt suchen daher nach Materialien, in denen magnetische Spinwellen zum Transport von Informationen genutzt werden können.

Ein internationales Forschungskonsortium unter maßgeblicher Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) ist bei dieser Suche nun einen wichtigen Schritt vorangekommen. Ihre Beobachtungen von Spinwellen auf Kreisbahnen in bestimmten magnetischen Materialien könnten auch einen Durchbruch für Quantentechnologien darstellen, die Wellen zum Transport von Informationen nutzen.

Ausbreitung magnetischer Wellen in Materialien

Wenn Sie einen Stein ins Wasser werfen, bringen Sie die Wassermoleküle aus ihrer Gleichgewichtslage. Sie beginnen zu schwingen und es breitet sich eine kreisförmige Welle aus. Auf ganz ähnliche Weise lassen sich die magnetischen Momente in manchen Materialien zum Schwingen bringen. Das magnetische Moment führt dabei eine Kreiselbewegung gegenüber seiner Ruhelage aus. Die Präzession eines Moments beeinflusst die Schwingung seines Nachbarn, und so breitet sich die Welle aus.

Für Anwendungen, die diese magnetischen Wellen verwenden, ist die Steuerung von Eigenschaften wie Wellenlänge oder Richtung wichtig. In herkömmlichen Ferromagneten – bei denen die magnetischen Momente alle in die gleiche Richtung zeigen – breiten sich magnetische Wellen im Allgemeinen geradlinig aus.

Ganz anders verläuft die Ausbreitung solcher Wellen in einer neuen Klasse magnetischer Materialien, die – wie eine Packung ungekochter Spaghetti – aus einer engen Anordnung magnetischer Wirbelröhren bestehen. Diese magnetische Ordnung wurde vor fast fünfzehn Jahren von einem Team um Christian Pfleiderer und Peter Böni an der Technischen Universität München mit Neutronenexperimenten entdeckt.

Wegen ihrer nicht trivialen topologischen Eigenschaften und in Anerkennung der theoretisch-mathematischen Entwicklungen des britischen Kernphysikers Tony Skyrme werden diese Wirbelröhren als Skyrmionen bezeichnet.

Ausbreitung magnetischer Wellen auf einer Kreisbahn

Da Neutronen ein magnetisches Moment tragen, eignen sie sich besonders gut für die Untersuchung magnetischer Materialien. Wie eine Kompassnadel reagieren sie empfindlich auf Magnetfelder. Neutronenstreuung erwies sich als die einzige Technik, mit der Spinwellen auf Kreisbahnen nachgewiesen werden können, da sie die erforderliche Auflösung über sehr große Längen- und Zeitskalen liefert.

Mittels polarisierter Neutronenstreuung haben Tobias Weber und sein Team vom Institut Laue Langevin (ILL) im französischen Grenoble nun nachgewiesen, dass die Ausbreitung magnetischer Wellen senkrecht zu solchen Skyrmionen nicht geradlinig, sondern auf einer Kreisbahn erfolgt.

Der Grund dafür ist, dass sich senkrecht zum magnetischen Wirbelrohr die Richtung benachbarter magnetischer Momente und damit die Richtung der Achse, um die die Präzessionsbewegung erfolgt, ständig ändert. Wenn sich die Präzessionsbewegung von einem magnetischen Moment zum nächsten ausbreitet, ändert sich analog auch die Ausbreitungsrichtung kontinuierlich. Der Radius und die Richtung der Kreisbahn der Ausbreitungsrichtung der Spinwellen hängt von der Stärke und der Richtung der Neigung der magnetischen Momente ab.

Quantisierung von Kreisbahnen

„Aber es steckt noch mehr dahinter“, sagt Markus Garst vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), der vor einiger Zeit die theoretische Beschreibung von Spinwellen in Skyrmionen und deren Kopplung an Neutronen entwickelt hatte. „Es gibt eine enge Analogie zwischen der kreisförmigen Ausbreitung von Spinwellen senkrecht zu einem Skyrmion-Gitter und der Bewegung eines Elektrons senkrecht zu einem Magnetfeld, die durch die Lorentz-Kraft verursacht wird.“

Bei sehr niedrigen Temperaturen, wenn die Kreisbahnen geschlossen sind, ist ihre Energie quantisiert. Dieses Phänomen, das vor fast hundert Jahren von dem für Elektronen bekannten russischen Physiker Lev Landau vorhergesagt wurde, wird als Landau-Quantisierung bezeichnet. Analog lässt sich der Einfluss des wirbelartigen Charakters der Skyrmionen auf die Spinwellen elegant als fiktives Magnetfeld interpretieren. Mit anderen Worten, das sehr komplizierte Zusammenspiel der Spinwellen mit der Skyrmion-Struktur ist eigentlich sehr einfach und lässt sich genauso beschreiben wie die Bewegung von Elektronen quer zu einem realen Magnetfeld.

Darüber hinaus zeigt die Ausbreitung von Spinwellen senkrecht zu Skyrmionen auch eine Quantisierung der Kreisbahnen. Damit wird auch die charakteristische Energie der Spinwelle quantisiert, was völlig neue Anwendungen eröffnet. Darüber hinaus trägt die Kreisbahn eine subtile Drehung, ähnlich einem sogenannten Möbiusband. Es ist topologisch nicht trivial: Die Verdrillung kann nur durch Schneiden und erneutes Verbinden des Streifens entfernt werden. All dies führt zu einer besonders stabilen Spinwellenbewegung.

Erfolgreiche internationale Zusammenarbeit

„Die experimentelle Bestimmung von Spinwellen in Skyrmionengittern erforderte sowohl eine Kombination aus weltweit führenden Neutronenspektrometern als auch eine massive Weiterentwicklung der Software zur Interpretation der Daten“, erklärt TUM-Physiker Peter Böni.

Das Forschungsteam verwendete Instrumente des Instituts Laue-Langevin in Frankreich, der Spallationsquelle SINQ am Schweizer Paul Scherrer Institut, der britischen ISIS Neutronen- und Myonenquelle und der Research Neutron Source Heim Maier-Leibnitz (FRM II) an der Technischen Universität von München. Weitere Arbeiten zur Theorie und Datenanalyse wurden am US Los Alamos National Laboratory und am Karlsruher Institut für Technologie durchgeführt.

Marc Janoschek, der heute am Paul Scherrer Institut arbeitet, betont: „Es ist einfach großartig zu sehen, dass nach unzähligen Experimenten an weltweit führenden Spektrometern und der Klärung großer experimenteller und theoretischer Herausforderungen während meiner Zeit in Los Alamos der mikroskopische Nachweis von Die Landau-Quantisierung an der weltweit einzigartigen Beamline RESEDA am FRM II der TUM in Garching schließt einen Kreis, der vor fast fünfzehn Jahren mit meinen ersten Messungen am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in Garching begann.“

Die Bewegung von Spinwellen auf Kreisbahnen, die obendrein noch quantisiert sind, ist aber nicht nur aus Sicht der Grundlagenforschung ein Durchbruch. Christian Pfleiderer, Geschäftsführer des neu gegründeten Center for Quantum Engineering der TUM, betont: „Die spontane Bewegung von Spinwellen auf Kreisbahnen, deren Radius und Richtung sich aus der wirbelartigen Struktur von Skyrmionen ergeben, eröffnet eine neue Perspektive für die Realisierung funktionale Geräte für die Informationsverarbeitung in Quantentechnologien, wie einfache Koppler zwischen Qubits in Quantencomputern.“