Erstmals Wellen in Magneten mit Supraleitern kontrollieren

Quantenphysiker der Technischen Universität Delft haben erstmals gezeigt, dass es mithilfe von Supraleitern möglich ist, Spinwellen auf einem Chip zu kontrollieren und zu manipulieren. Diese winzigen Wellen in Magneten könnten in Zukunft eine Alternative zur Elektronik darstellen. Die Studie, veröffentlicht In Wissenschaftermöglicht den Physikern vor allem neue Einblicke in die Wechselwirkung zwischen Magneten und Supraleitern.

„Spinwellen sind Wellen in einem magnetischen Material, mit denen wir Informationen übertragen können“, erklärt Michael Borst, der das Experiment leitete. „Da Spinwellen ein vielversprechender Baustein für einen energieeffizienten Ersatz für Elektronik sein können, suchen Wissenschaftler seit Jahren nach einer effizienten Möglichkeit, Spinwellen zu kontrollieren und zu manipulieren.“

Die Theorie sagt voraus, dass Metallelektroden die Kontrolle über Spinwellen ermöglichen, doch Physiker haben solche Effekte in Experimenten bisher kaum beobachtet. „Der Durchbruch unseres Forschungsteams besteht darin, dass wir zeigen können, dass wir Spinwellen tatsächlich richtig kontrollieren können, wenn wir eine supraleitende Elektrode verwenden“, sagt Toeno van der Sar, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Quantennanowissenschaften.

Es funktioniert wie folgt: Eine Spinwelle erzeugt ein Magnetfeld, das wiederum einen Suprastrom im Supraleiter erzeugt. Dieser Superstrom fungiert als Spiegel für die Spinwelle. Die supraleitende Elektrode reflektiert das Magnetfeld zurück zur Spinwelle. Der supraleitende Spiegel bewirkt, dass sich Spinwellen langsamer auf und ab bewegen und dadurch leichter kontrollierbar sind.

Borst sagt: „Wenn Spinwellen unter der supraleitenden Elektrode hindurchgehen, stellt sich heraus, dass sich ihre Wellenlänge vollständig ändert. Und indem wir die Temperatur der Elektrode leicht variieren, können wir das Ausmaß der Änderung sehr genau einstellen.“

„Wir begannen mit einer dünnen magnetischen Schicht aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG), bekannt als der beste Magnet der Erde. Darüber legten wir eine supraleitende Elektrode und eine weitere Elektrode, um die Spinwellen zu induzieren. Durch Abkühlung auf -268 Grad haben wir „hat die Elektrode in einen supraleitenden Zustand gebracht“, sagt Van der Sar.

„Es war erstaunlich zu sehen, dass die Spinwellen mit zunehmender Kälte immer langsamer wurden. Das gibt uns eine einzigartige Möglichkeit, die Spinwellen zu manipulieren; wir können sie ablenken, reflektieren, in Resonanz bringen und mehr. Aber es gibt uns auch.“ enorme neue Erkenntnisse über die Eigenschaften von Supraleitern.“

Die Forscher bildeten die Spinwellen ab, indem sie ihr Magnetfeld mit einem einzigartigen Sensor maßen, was für das Experiment von wesentlicher Bedeutung war. Van der Sar sagt: „Wir verwenden Elektronen in Diamant als Sensoren für die Magnetfelder der Spinwellen. Unser Labor leistet Pionierarbeit bei dieser Technik. Das Coole daran ist, dass wir durch den undurchsichtigen Supraleiter auf die Spinwellen darunter schauen können.“ so wie ein MRT-Scanner durch die Haut in den Körper eines Menschen schauen kann.“

„Die Spinwellentechnologie steckt noch in den Kinderschuhen“, sagt Borst. „Um beispielsweise energieeffiziente Computer mit dieser Technologie herzustellen, müssen wir zunächst mit dem Bau kleiner Schaltkreise zur Durchführung von Berechnungen beginnen. Unsere Entdeckung öffnet eine Tür: Supraleitende Elektroden ermöglichen unzählige neue und energieeffiziente Spinwellenschaltungen.“

„Wir können jetzt Geräte entwerfen, die auf Spinwellen und Supraleitern basieren und wenig Wärme und Schallwellen erzeugen“, fügt Van der Sar hinzu. „Denken Sie an die spintronische Version von Frequenzfiltern oder Resonatoren, Komponenten, die zum Beispiel in elektronischen Schaltkreisen von Mobiltelefonen zu finden sind. Oder an Schaltkreise, die als Transistoren oder Verbindungen zwischen Qubits in einem Quantencomputer dienen können.“