Wellen auf Kreisbahnen

Aktuell beruht die Funktion der Mehrheit elektronischer Bauteile auf dem Transport und der Kontrolle elektrischer Ladungen. Ein grosser Nachteil dieser Technik ist, dass der Stromfluss aufgrund des elektrischen Widerstands immer auch Wärme erzeugt – angesichts der immensen Zahl elektronischer Bauteile weltweit – ein gigantischer Energieverlust.

Eine energieeffiziente Alternative besteht darin, magnetische Wellen für Transport und Verarbeitung von Informationen zu verwenden. Denn sie produzieren nicht annähernd so viel unnütze Wärme. Solche Bauteile könnten auch wesentlich kompakter sein. Weltweit suchen daher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach Materialien, in denen magnetische Spin-Wellen für den Informationstransport genutzt werden können.

Ein internationales Forschungskonsortium unter massgeblicher Beteiligung der Technischen Universität München (TUM) ist nun auf dieser Suche einen wichtigen Schritt vorwärtsgekommen. Ihre Beobachtungen von Spinwellen auf Kreisbahnen in bestimmten magnetischen Materialien könnten auch für diejenigen Quanten-Technologien einen Durchbruch bedeuten, die Wellen dazu benutzen, um Informationen zu transportieren.

Ausbreitung magnetischer Wellen in Materialien

Wirft man einen Stein ins Wasser, so bringt man die Wassermoleküle aus ihrer Ruhelage. Sie fangen an zu schwingen; eine kreisförmige Welle breitet sich aus. Ganz ähnlich kann man die magnetischen Momente in manchen Materialien zu einer Schwingung anregen. Dabei führt das magnetische Moment eine Kreiselbewegung um seine ursprüngliche Ruhelage aus. Die Schwingung eines Atoms stösst eine Schwingung des nächsten an, und so pflanzt sich die Welle fort.

Für Anwendungen ist es hierbei wichtig, die Eigenschaften dieser magnetischen Wellen, wie beispielsweise ihre Wellenlänge oder Richtung, kontrollieren zu können. In konventionellen Ferromagneten, in welchen die magnetischen Momente alle in dieselbe Richtung zeigen, breiten sich magnetische Wellen grundsätzlich geradlinig aus.

Ganz anders verhält sich die Ausbreitung solcher Wellen in einer neuen Klasse magnetischer Materialien, die, einem Paket ungekochter Spaghetti vergleichbar, aus einer engen Anordnung magnetischer Wirbelschläuche bestehen. Entdeckt wurde sie vor knapp fünfzehn Jahren von einem Team um Christian Pfleiderer und Peter Böni an der TU München mithilfe von Neutronenexperimenten.

Aufgrund ihrer nicht-trivialen topologischen Eigenschaften und in Anerkennung der theoretisch-mathematischen Entwicklungen des britischen Kernphysikers Tony Skyrme werden die Wirbelschläuche als Skyrmionen bezeichnet.

Ausbreitung der magnetischen Welle auf einer Kreisbahn

Da Neutronen selbst ein magnetisches Moment tragen, eignen sie sich besonders gut zur Erforschung magnetischer Materialien, da sie wie eine Kompassnadel hochempfindlich auf magnetische Felder reagieren. Für den Nachweis der Spinwellen auf Kreisbahnen erwies sich die Neutronenstreuung sogar als alternativlos, da nur sie die erforderliche Auflösung über sehr grosse Längen- und Zeitskalen ermöglichte.

Wie das Team um Tobias Weber vom Institut Laue-Langevin im französischen Grenoble nun mittels polarisierter Neutronenstreuung nachweisen konnte, erfolgt die Ausbreitung einer magnetischen Welle senkrecht zu solchen Skyrmionen nicht geradlinig, sondern auf einer Kreisbahn.

Grund hierfür ist, dass die Richtung benachbarter magnetischer Momente und damit die Richtung der Achse, um die die Kreiselbewegung erfolgt, sich kontinuierlich ändert. Analog dazu ändert sich bei der Fortpflanzung der Kreiselbewegung von einem magnetischen Moment zum nächsten senkrecht zu einem magnetischen Wirbelschlauch auch die Ausbreitungsrichtung kontinuierlich. Der Radius und die Richtung der Kreisbahn der Ausbreitungsrichtung hängen dabei von der Stärke und der Richtung der Verkippung der magnetischen Momente ab.

Quantisierung der Kreisbahnen

«Damit jedoch nicht genug», sagt Markus Garst vom Karlsruher Institut für Technologie, der die theoretische Beschreibung der magnetischen Wellenbewegung und ihre Kopplung an Neutronen schon vor länger Zeit ausgearbeitet hatte. «Es gibt eine enge Analogie zwischen der kreisförmigen Ausbreitung von Spinwellen in einem Skyrmionengitter und der Bewegung eines Elektrons aufgrund der Lorentzkraft senkrecht zu einem Magnetfeld.»

Bei sehr tiefen Temperaturen, wenn die Kreisbahnen geschlossen sind, ist ihre Energie quantisiert. Vor fast hundert Jahren vom russischen Physiker Lev Landau vorhergesagt, ist dieses Phänomen für Elektronen seit Langem als Landau-Quantisierung gut bekannt. Dabei lässt sich der Einfluss der Wirbelstruktur auf die Spinwellen elegant durch ein fiktives Magnetfeld interpretieren. Das heisst, das sehr komplizierte Wechselspiel der Spinwellen mit der Skyrmionenstruktur ist letztlich genauso einfach wie die Bewegung von Elektronen in einem echten Magnetfeld zu verstehen.

Auch die Ausbreitung der Spinwellen senkrecht zu den Skyrmionen zeigt eine solche Quantisierung der Kreisbahnen. Die charakteristische Energie der Spinwelle ist damit ebenfalls quantisiert, was völlig neue Anwendungen verspricht. Zusätzlich ist die Kreisbahn aber auch noch in sich verdrillt, ähnlich wie bei einem sogenannten Möbiusband. Sie ist topologisch nicht-trivial: Nur durch Zerschneiden und neu Zusammenfügen liesse sich die Verdrillung entfernen. All dies führt zu einer besonders stabilen Bewegung der Welle.

Internationale Kooperation

«Die experimentelle Bestimmung der Spinwellen in Skyrmionengittern erforderte sowohl eine Kombination weltweit führender Neutronenspektrometer als auch eine massive Weiterentwicklung der Software zur Deutung der Daten», erläutert TUM-Physiker Peter Böni.

Das Forschungsteam nutzte Instrumente des Instituts Laue-Langevin in Frankreich, die Spallationsquelle SINQ am Schweizer Paul Scherrer Institut, die britischen Neutronen- und Myonenquelle ISIS und die Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TU München. Weitere Arbeiten zur Theorie und Datenanalyse wurden am amerikanischen Los Alamos National Laboratory und am Karlsruher Institut für Technologie ausgeführt.

Marc Janoschek, der inzwischen am Paul Scherrer Institut arbeitet, schwärmt: «Es ist einfach genial, dass sich mit dem mikroskopischen Nachweis der Landau-Quantisierung an der weltweit einzigartigen Beamline RESEDA am FRM II der TUM in Garching nach zahllosen Experimenten an weltweit führenden Spektrometern und der Klärung grosser experimenteller und theoretischer Herausforderungen während meiner Zeit in Los Alamos ein Kreis schliesst, der vor fast fünfzehn Jahren mit meinen ersten Messungen am Heinz Maier-Leibnitz-Zentrum begann.»

Die Bewegung von Spinwellen auf Kreisbahnen, die noch dazu quantisiert sind, ist jedoch nicht nur aus Sicht der Grundlagenforschung ein Durchbruch. So betont Christian Pfleiderer, geschäftsführender Direktor des neu geschaffenen Zentrums für QuantenEngineering der TUM: «Die spontane Bewegung von Spinwellen auf Kreisbahnen, deren Radius und Richtung durch Skyrmionen-Wirbelstrukturen entsteht, eröffnet eine neue Perspektive, um funktionelle Bauteile für die Informationsverarbeitung in den Quantentechnologien zu realisieren, wie beispielsweise einfache Koppler zwischen Qubits in Quantencomputern.»

Text: Erstellt auf der Grundlage einer Medienmitteilung der Technischen Universität München

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An den Messungen waren Forschende des Instituts Laue-Langevin in Frankreich, des Paul Scherrer Instituts, der Universität Zürich und der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz, der Spallationsquelle ISIS und der Universität London in Grossbritannien, der Oak Ridge und Los Alamos National Laboratories in den USA, der Technischen Universität Dresden, der Universität zu Köln, des Karlsruher Instituts für Technologie und der Technischen Universität München und dem Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum in Garching beteiligt.

Die Forschung wurde gefördert vom Europäischen Forschungsrat durch die ERC Advanced Grants "TOPFIT" und "ExQuiSid", von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Transregio-Sonderforschungsbereichs TRR80, des Sonderforschungsbereichs SFB 1143, des Schwerpunktprogramms SPP 2137 "Skyrmionics" und des Exzellenzclusters "Munich Center for Quantum Science and Technology" (MCQST) im Rahmen der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder sowie durch das Directed Research and Development Programm des Los Alamos National Laboratory und des Institute for Materials Science in Los Alamos, USA.