Wann wird 6G Realität? Der Wettlauf um die Realisierung von drahtlosen Kommunikationssystemen der sechsten Generation (6G) erfordert die Entwicklung geeigneter magnetischer Materialien. Wissenschaftler der Osaka Metropolitan University und ihre Kollegen haben eine beispiellose kollektive Resonanz bei hohen Frequenzen in einer magnetischen Überstruktur namens chirales Spin-Soliton-Gitter (CSL) entdeckt, die CSL-hostende chirale Helimagnete als vielversprechendes Material für die 6G-Technologie enthüllt. Die Studie wurde veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Zukünftige Kommunikationstechnologien erfordern eine Erweiterung des Frequenzbandes von derzeit wenigen Gigahertz (GHz) auf über 100 GHz. Solch hohe Frequenzen sind noch nicht möglich, da bestehende magnetische Materialien, die in Kommunikationsgeräten verwendet werden, Mikrowellen nur bis zu ungefähr 70 GHz mit einem praxisgerechten Magnetfeld in Resonanz bringen und absorbieren können. Um diese Wissens- und Technologielücke zu schließen, befasste sich das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Yoshihiko Togawa von der Osaka Metropolitan University mit der spiralförmigen Spin-Überstruktur CSL.
„CSL hat eine abstimmbare Periodizitätsstruktur, was bedeutet, dass es kontinuierlich moduliert werden kann, indem die externe Magnetfeldstärke geändert wird“, erklärte Professor Togawa. „Der CSL-Phononmodus oder kollektive Resonanzmodus – wenn die Knicke der CSL kollektiv um ihre Gleichgewichtsposition oszillieren – ermöglicht breitere Frequenzbereiche als bei herkömmlichen ferromagnetischen Materialien.“ Dieser CSL-Phononenmodus wurde theoretisch verstanden, aber nie in Experimenten beobachtet.
Auf der Suche nach dem CSL-Phononenmodus experimentierte das Team mit CrNb3S6, einem typischen chiralen magnetischen Kristall, der CSL beherbergt. Sie erzeugten zunächst CSL in CrNb3S6 und beobachteten dann sein Resonanzverhalten bei wechselnden äußeren Magnetfeldstärken. Zur Detektion der Magnetresonanzsignale wurde ein speziell entwickelter Mikrowellenschaltkreis verwendet.
Die Forscher beobachteten Resonanzen in drei Modi, nämlich dem „Kittel-Modus“, dem „asymmetrischen Modus“ und dem „Mehrfachresonanzmodus“. Im Kittel-Modus steigt die Resonanzfrequenz ähnlich wie bei herkömmlichen ferromagnetischen Materialien nur an, wenn die Magnetfeldstärke zunimmt, was bedeutet, dass die Erzeugung der für 6G erforderlichen hohen Frequenzen ein unpraktisch starkes Magnetfeld erfordern würde. Auch im asymmetrischen Modus wurde das CSL-Phonon nicht gefunden.
Im Mehrfachresonanzmodus wurde das CSL-Phonon detektiert; im Gegensatz zu dem, was bei derzeit verwendeten magnetischen Materialien beobachtet wird, steigt die Frequenz spontan an, wenn die magnetische Feldstärke abnimmt. Dies ist ein beispielloses Phänomen, das möglicherweise einen Boost auf über 100 GHz mit einem relativ schwachen Magnetfeld ermöglichen wird – dieser Boost ist ein dringend benötigter Mechanismus, um die 6G-Betriebsfähigkeit zu erreichen.
„Uns ist es gelungen, diese Resonanzbewegung zum ersten Mal zu beobachten“, bemerkt Erstautor Dr. Yusuke Shimamoto. „Aufgrund seiner hervorragenden strukturellen Steuerbarkeit kann die Resonanzfrequenz über ein breites Band bis hin zum Sub-Terahertz-Band gesteuert werden. Diese breitbandige und variable Frequenzcharakteristik geht über 5G hinaus und soll in der Forschung und Entwicklung von Kommunikationstechnologien der nächsten Generation genutzt werden .“
Y. Shimamoto et al, Beobachtung kollektiver Resonanzmoden in einem chiralen Spin-Soliton-Gitter mit abstimmbarer Magnon-Dispersion, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.247203
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