Image taken from: Institut Laue-Langevin

Neutronenanalyse eröffnet neue Perspektiven für Energieübertragung

Ein internationales Forscher-Team hat anhand von Mangansilizium (MnSi) eine besondere magnetische Konfiguration in Skyrmionen untersucht. Die Erkenntnisse können dabei helfen, Informationen über magnetische Wellen statt über Elektronen zu transportieren. Diese energiesparende Übertragung von Informationen ohne Wärmeverlust bringt uns innovative Technologien, wie Quantencomputer, einen Schritt näher.
24. Juni 2022

Eine Neutronenanalyse, die kürzlich in Zusammenarbeit zwischen dem Institut Laue-Langevin, der Technischen Universität München und weiteren internationalen Forschungsinstituten (siehe Fußnote 1) erfolgte, hat das Verhalten magnetischer Wellen genauer untersucht und bedeutende Zukunftsperspektiven eröffnet:

So konnte das Forschungsteam bei der Untersuchung von Mangansilizium (MnSi) nachweisen, dass sich im Anregungszustand magnetische Systeme wie Teilchen verhalten, die Elektronen gleichen und als „Magnon-Quasiteilchen“ oder einfacher „Magnonen“ benannt werden. Magnonen entstehen aus den Spinwellen in bestimmten Materialien, die sich ausgehend von einer Störung ausbreiten, ohne dass dabei Materie übertragen wird – vergleichbar mit einer La-Ola-Welle in einem Fußballstadion. Sie können Informationen wie elektrische Ströme übertragen, allerdings mit geringerem Energieaufwand. Dies ließe sich für die Herstellung von Geräten nutzen, die nicht mehr durch elektronische Ströme aufgeheizt werden. Besonders interessant ist die Übertragungsweise für den energieintensiven Betrieb von Quantencomputern, aber auch die Energieeffizienz von Laptops, Smartphones und Rechenzentren könnte enorm erhöht werden.

Energieeffizientere Geräte

Die heutigen elektronischen Geräte verschwenden riesige Mengen an Energie. Sie erhitzen sich, wenn die Elektronen, die die Informationen transportieren, auf ihrem Weg durch die Leitungen auf Widerstand stoßen. Betreiber großer Rechenzentren und die großen Technologieunternehmen geben jährlich Milliarden von US-Dollar für Computer-Kühlsysteme aus – mitunter macht dies bis zu 40 % ihres Energiebedarfs aus. Wissenschaftler auf der ganzen Welt versuchen derzeit zu verstehen, wie das Verhalten von magnetischen Spinwellen eine alternative Zukunft für die Datenübertragung eröffnen könnte.

Um dieses Potenzial in vollem Umfang zu nutzen, müssen Forscher die Eigenschaften und das Verhalten der Wellen, wie ihre Wellenlänge oder Richtung, kontrollieren. Neue Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass die Wellen in einer bestimmten magnetischen Konfiguration, den so genannten Skyrmionen, nicht nur elektronenähnlich sind, sondern auch die Bewegung von Elektronen als Reaktion auf ein Magnetfeld genau nachahmen. So kann ihre Bewegung präziser vorhergesagt und für zukünftige Technologien, wie neuartige Informationsspeicherung und Quantencomputer, genutzt werden.

Untersuchung von Skyrmionen in Mangansilizium

Genauer gesagt werden die kreisförmigen Bewegungen von Spinwellen um die Skyrmionen durch eine Quantisierung der zulässigen Magnonenenergien auf so genannte Landau-Niveaus (diskrete Magnonenbänder, die in ihren Energiewerten nahezu äquidistant sind) verursacht. In anderen Materialien, die eine Skyrmionphase aufweisen, variieren die Formen und Energieabstände zwischen diesen Niveaus. Aufgrund dieser Einheitlichkeit der Landau-Niveaus lassen sich mehr Informationen über ihre Eigenschaften – wie die Magnetfeldstruktur und die vorhergesagten Energieniveaus – ableiten als bei anderen Materialien.

Um diese neuartigen Spinwellen-Bewegungen um Skyrmionen zu enthüllen, nutzten Forscher die weltweit stärksten Neutronenstrahlen für ihre Experimente. Mit fundamentalen Teilchen mit einem eigenen magnetischen Moment ist die Neutronenstreuung die einzige Technik, die auf die Magnetfelder reagieren kann – wie eine Kompassnadel, die den Nordpol anpeilt. Mit der weltweit größten Neutronenquelle wurden die entscheidenden Experimente am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich, durchgeführt.

Dabei fokussierten sich die Forscher auf die Untersuchung von Mangansilizium. In herkömmlichen ferromagnetischen Materialien zeigen die Momente alle in dieselbe Richtung, so dass sich die magnetischen Wellen im Allgemeinen in einer geraden Linie ausbreiten. In der relativ neuen Materialklasse Mangansilizium ist die magnetische Konfiguration jedoch ganz anders und birgt immenses Potenzial: In Mangansilizium bilden magnetische Momente eine enge, wirbelartige Anordnung, die Skyrmionen, die sich entlang von Röhren wie eine Packung ungekochter Spaghetti ausbreiten. Mangansilizium, das im kosmischen Staub eines Kometen entdeckt wurde, ist der Ursprung für die Untersuchung von Skyrmionen. Bei dieser Untersuchung wurde die Bewegung von Spinwellen um die magnetischen „Röhren“ beobachtet und die Ähnlichkeit mit Elektronen festgestellt, die sich in einer Kreisbewegung senkrecht zum Skyrmion bewegen.

Die Forscher sind dem revolutionären Potenzial von Magnonen nun einen Schritt näher gekommen. Konkrete Geräte oder Technologien, die diese Phänomene nutzen, liegen jedoch noch in weiter Ferne, und es gibt deutliche Einschränkungen: Zum Beispiel sind extrem niedrige Temperaturen erforderlich, um das beschriebene Verhalten zu beobachten. Angesichts der zunehmenden Bedeutung elektronischer Geräte und den steigenden Anforderungen an die Datenspeicherung auf unserem Planeten sind Lösungen zur Kontrolle und Umsetzung der Quantenphysik jedoch wichtig für unsere Zukunft.

Auswirkungen auf die Quantentechnologien

Magnonen werden bereits als entscheidender Aspekt der spinbasierten Quanteninformatik angesehen, und es ist ein besseres Verständnis ihrer Eigenschaften erforderlich, um ihre Natur für unsere eigenen Anwendungen zu nutzen. Die theoretische Möglichkeit, Skyrmionen für die Konstruktion von Quantenlogikgattern zu verwenden, wurde in jüngsten Arbeiten diskutiert.

Studien zeigen, wie Skyrmionen so programmiert werden könnten, dass sie eine grundlegende Komponente eines Quantenprozessors, ein so genanntes Quantenlogikgatter, bilden. Die Zustände des Skyrmions können mit Hilfe von Magnetfeldern eingestellt werden, und die daraus resultierenden Ergebnisse werden eine hochentwickelte Betriebsfunktion innerhalb eines Quantenprozessors bieten.

Zukunftsperspektive

Die Anwendung dieser grundlegenden Erkenntnisse in zukünftigen Technologien stellt Wissenschaftler vor große Herausforderungen, doch die Beobachtungen zur Skyrmion-Dynamik sind von großer Bedeutung auf diesem Forschungsgebiet. Das ThALES-Instrument am ILL ist das einzige Instrument, mit dem diese Entdeckungen möglich waren, da es das leistungsstärkste Spektrometer seiner Art weltweit ist. Durch die Polarisation der Neutronen sind die Forscher außerdem in der Lage, genau zu erkennen, welche Ergebnisse auf den magnetischen Beitrag zurückzuführen sind.

Die nächsten Schritte auf dieser Reise werden den anspruchsvollen Materialien gelten, in denen die Skyrmionstruktur vorliegt. Die Untersuchung des magnetischen Verhaltens in Mangansilizium und entsprechenden Materialien erfordert extrem niedrige Temperaturen (ca. -245 Grad Celsius). Ein Material mit ähnlichen magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur zu finden, ist daher der nächste Schritt, um zukünftige Anwendungen zu erschließen.

1 Die Forschungsergebnisse entstanden in internationaler Zusammenarbeit zwischen dem Institut Laue-Langevin in Frankreich, der Schweizer Spallationsquelle SINQ am Paul-Scherrer-Institut, der britischen Neutronen- und Myonenquelle ISIS, dem amerikanischen Los Alamos National Laboratory, dem Karlsruher Institut für Technologie und der Forschungsneutronenquelle Heinz-Maier-Leibnitz (FRM II) an der Technischen Universität München (TUM)

Bildmaterial:

  • Allgemeine Erläuterung zur Grafik: Ähnlich wie in früheren Studien zeigen die Magnonen eines Skyrmion-Gitters eine deutliche Polarisationsabhängigkeit, hier verursacht durch die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung, eine Art Spin-Orbit-Kopplung.
  • Links: In einem magnetischen Skyrmion richten sich die Spins wirbelartig um ein äußeres Feld aus. Hier wird das Feld in Richtung k angelegt.
  • Rechts: Die Dispersionsrelation besteht aus verschiedenen Schichten, die energetisch eng beieinander liegen, den Landau-Niveaus. Die Form der Schichten hängt davon ab, ob die Richtung des Impulstransfers in der Skyrmion-Ebene (h) oder entlang der Skyrmion-Achse (k) liegt. Der 3D-Schnitt wurde erzeugt mithilfe von Voreen, Dank an Y. Le Goc und T. Bruyere.
Bildquelle: Institut Laue-Langevin

Titel und Autoren der Forschungsarbeit:

Topological magnon band structure of emergent Landau levels in a skyrmion lattice, T. Weber, D. M. Fobes, J. Waizner, P. Steffens, G. S. Tucker, M. Böhm, L. Beddrich, C. Franz, H. Gabold, R. Bewley, D. Voneshen, M. Skoulatos, R. Georgii, G. Ehlers, A. Bauer, C. Pfleiderer, P. Böni, M. Janoschek, M. Garst [doi:10.1126/science.abe4441]

Tobias Weber studierte Physik an der TU München und praktische Informatik an der FU Hagen. Seit 2017 am ILL, zunächst als Instrumentenmitverantwortlicher für ein Dreiachsenspektrometer, später in der Gruppe für wissenschaftliches Rechnen. Aktuelle Projekte umfassen Studien zu magnetischen Systemen, Neutronenstreuungssimulationen und autonome Instrumentensteuerung.

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