Rekord-Spinwellen dank Flussquanten Braunschweiger Forschende erzeugen Magnetfeldausbreitung mit Supraleitern
Wie durch einen Überschallknall ausgelöst, wurden die Spinwellen mit Rekordwellenlängen im benachbarten Magneten angeregt. Dieses Ergebnis konnten Forschende der Technischen Universität Braunschweig gemeinsam mit internationalen Partnern im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ veröffentlichen. Die physikalische Pionierleistung eröffnet Wege zu einer alternativen, energiesparsameren Elektronik.
Spinwellen gelten als Hoffnungsträger für eine neue Form der Elektronik. Statt Elektronen stehen dabei Magnonen im Fokus. Diese quantisierten Einheiten der Spinwellen beschreiben, wie sich die Spinpräzession ausbreitet. Dabei können Magnonen analog zu Elektronen Informationen in einem Leiter übertragen. Allerdings mit viel geringerem Widerstand und damit einem Bruchteil des Energieverbrauchs.
An der TU Braunschweig hat die Arbeitsgruppe „Kryogene Quantenelektronik“ zusammen mit internationalen Partnern jetzt einen neuen Rekord bei der Wellenlänge der angeregten propagierenden Magnonen erzielt. Die Forschenden um Professor Oleksandr Dobrovolskiy nutzten dabei ein weiteres Quasiteilchen, Fluxonen, um die Spinwellen anzuregen. „Fluxonen bewegen sich als magnetische Flussquanten eines Supraleiters mit bis zu 10 Kilometern pro Sekunde. Uns ist es gelungen mit den ultraschnellen Fluxonen eine Spinwelle in einem benachbarten Magneten anzuregen“, erklärt Dobrovolskiy. „Diesen Effekt kann man sich ähnlich vorstellen wie die Bugwelle, die ein Schnellboot im Wasser erzeugt. Nur dass unser Boot so schnell ist, dass es regelrecht zu einer Art Überschallknall kommt.“
Das Team beobachtete außerdem ein charakteristisches Merkmal dieser Wechselwirkung: eine sogenannte Shapiro-Stufe in der elektrischen Antwort des Supraleiters. Dieser Effekt zeigt, dass die Bewegung der Fluxonen mit den erzeugten Spinwellen synchronisiert ist – ein Hinweis auf eine kohärente Kopplung zwischen beiden Systemen.
Neue Möglichkeiten für zukünftige Informationssysteme
Über die grundlegende Physik hinaus eröffnet diese Entdeckung neue Möglichkeiten für eine Elektronik auf Spinwellen-Basis. „Unsere Ergebnisse könnten den Weg zu kleineren, schnelleren und effizienteren Bauelementen für künftige Informationsverarbeitungssysteme ebnen“, sagt Professor Dobrovolskiy.
Mit der kürzlich bewilligten Weiterförderung des Excellenzclusters QuantumFrontiers bis 2032 und dem Aufbau moderner Laboreinrichtungen im Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA) an der TU Braunschweig ist die Abteilung für Kryogene Quantenelektronik nun optimal aufgestellt, um hybride Fluxon-Magnon-Systeme auf atomare Dimensionen zu skalieren und Experimente mit einzelnen Quantenanregungen durchzuführen.
Im Rahmen der Veröffentlichung in „Nature Nanotechnology“ arbeiteten die Forschenden zudem mit Partnern der Huazhong University of Science and Technology in China, der Goethe-Universität Frankfurt am Main, der Universität Wien und der Université Bordeaux zusammen.
