Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn Spinwellen auf Licht reagieren

19.05.2015

Physiker der Technischen Universität Kaiserslautern haben ein wichtiges Verfahren für die Computer der Zukunft vorgestellt. Einem Team um die Professoren Burkard Hillebrands und Georg von Freymann ist es erstmals gelungen, die magnetischen Eigenschaften eines Bauelements optisch zu steuern. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Physics veröffentlicht.

Trotz aller technischen Entwicklungsfortschritte werden irgendwann die heutigen Computer an ihre Grenzen stoßen, was Größe und Schnelligkeit betrifft. Ihre Bauelemente lassen sich bald nicht mehr weiter verkleinern, ihr Energieverbrauch und damit ihre Erwärmung wird zu hoch.


Schematischer Aufbau des optisch steuerbaren Spintronik-Bauelements.

Dennoch steigen auch in Zukunft die Ansprüche der Nutzer an die elektronische Datenverarbeitung immer weiter: Informationen sollen noch schneller verschickt und auf noch engerem Raum gespeichert werden, und die Technik dazu soll möglichst wenig Energie benötigen.

Um diese Probleme zu lösen, wird man in künftigen Computern nicht mehr wie heute ausschließlich Elektronen verwenden, die hin- und her fließen, um damit zu rechnen und Daten zu speichern, sondern auch nicht-materielle Phänomene, etwa optische oder magnetische Erscheinungen, einbeziehen. In den Labors der Grundlagenforscher, etwa am Landesforschungszentrum OPTIMAS in Kaiserslautern, wird bereits heute intensiv daran gearbeitet, die Bauelemente dafür zu entwickeln.

Spinwellen als Grundlage der Datenverarbeitung

„Im Fokus unserer Forschung stehen Spinwellen und Magnonen“, sagt Burkard Hillebrands, Professor an der Technischen Universität Kaiserslautern und gleichzeitig Mitglied bei OPTIMAS. „Dabei handelt es sich um magnetische Phänomene, die durch den Spin, also den Eigendrehimpuls der Elektronen, verursacht werden. Mit ihnen beschäftigt sich ein junges Forschungsgebiet, die Magnon-Spintronik.“

Das rasch wachsende Gebiet befasst sich mit der Erzeugung, Manipulation und Messung von Spinwellen und Magnonen. Bei Spinwellen handelt es sich um eine Auslenkung des Spins einzelner Teilchen in einem magnetischen Ordnungszustand, die sich ähnlich wie Schallwellen durch den Festkörper fortpflanzt. Wie bei allen Wellen kann man auch den Spinwellen formal ein Quantenteilchen zuordnen. Hier wird es Magnon genannt.

Ein großer Erfolg gelang nun einem Wissenschaftlerteam rund um die Professoren Burkard Hillebrands und Georg von Freymann des Fachbereichs Physik der TU Kaiserslautern. Sie konnten erstmals magnetische Strukturen eines magnonischen Kristalls* durch den Einsatz von Licht verändern. Bisher wurden diese fest in das Material eingeätzt und lagen damit ein für alle Mal fest. Mit der neuen Technik können sie aber je nach Bedarf durch Bestrahlen mit Laserlicht geändert werden. Da die Strukturen nach Beendigung der Laserbestrahlung wieder vollständig verschwinden, öffnet das Verfahren den Weg für schaltbare Leitungen, flexible Filter oder auch logische Gatter.

Lasererzeugte Hologramme auf Granat

Für ihren magnonischen Kristall benutzten die Forscher eine dünne Schicht aus Yttrium-Eisen-Granat** auf einem Substrat aus Gadolinium-Gallium-Granat. Sie bestrahlten diese mit streifenförmigen Hologrammen, welche sie mit Laserlicht erzeugten. „An den bestrahlten Stellen erwärmt sich das Material und verändert blitzschnell die magnetische Landschaft in der Schicht“, erklärt der Optikspezialist Professor Georg von Freymann. „Auf diese Weise könnte man später in dem Bauelement eines Computers die Spinwellen manipulieren. Der große Vorteil dabei ist, dass wir so beliebige Strukturen erzeugen können, zwischen denen man umschalten kann.“

Die magnonen-basierte Datenverarbeitung hätte große Vorteile: Sie erzeugt keine Wärme, und es sind wesentlich weniger Bauelemente pro Rechenoperation nötig als beim herkömmlichen Rechnen mit Elektronen in Halbleitern. Sie lässt sich zudem kombinieren mit elektronischen Teilen des Computers; für diesen Übergang zwischen Elektronik und Magnonik und zurück entwickeln die Forscher gerade die nötigen Bauelemente.

Das neue Verfahren stellt einen wichtigen Entwicklungsschritt zu den bereits vorgestellten magnonischen Transistoren dar. Auf der CeBIT 2015 hatten die Kaiserslauterner Forscher kürzlich dieses zentrale Bauelement präsentiert. Ihr nächstes Ziel ist es, weitere Bauelemente für die Datenverarbeitung zu entwickeln und sie zu miniaturisieren. Denn „so wie einst der erste elektronische Transistor noch zentimetergroß war und heute nur noch Nanometer einnimmt, werden auch magnonische Bauelemente immer kleiner werden“, prophezeit Hillebrands.

Weitere Informationen

*Magnonische Kristalle sind Wellenleiterstrukturen, die eine periodische Variation ihrer Materialeigenschaften aufweisen. Sie gehören zur Klasse der sogenannten Metamaterialien: künstliche Materialien mit Eigenschaften, die von einer gezielt entworfenen Struktur erzeugt werden. Solche Kristalle können beispielsweise Magnonen einfangen, Spinwellen an der Ausbreitung in bestimmte Richtungen hindern oder sie in vorgegebene Richtungen lenken.
**Granat ist eine besondere Kristallform, die für magnetische Zwecke gut geeignet ist und auch als Schmuckstein vorkommt. An ihren Gitterplätzen können unterschiedliche Atome sitzen.

Original-Publikation:
Marc Vogel, Andrii V. Chumak, Erik H. Waller, Thomas Langner, Vitaliy I. Vasyuchka, Burkard Hillebrands, Georg von Freymann (2015) Optically-Reconfigurable Magnetic Materials, Nature Phys., 2015, online publication doi: 10.1038/nphys3325

Landesforschungszentrum OPTIMAS

Das Landesforschungszentrum OPTIMAS verbindet Optik und Materialwissenschaften unter dem übergeordneten Forschungsthema Spin - Licht - Materie. Als eines von zwei Forschungszentren der TU Kaiserslautern wurde OPTIMAS 2008 im Rahmen der Forschungsinitiative des Landes eingerichtet. http://optimas.uni-kl.de/home/

Ansprechpartner für die Medien

Dr. Isabel Sattler
Landesforschungszentrum OPTIMAS
Geschäftsstelle
Technische Universität Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger-Str. 46/360
D-67663 Kaiserslautern
Fon ++49/(0)631-205-2273
Fax ++49/(0)631-205-3903
isattler@rhrk.uni-kl.de

Fachliche Ansprechpartner
Prof. Dr. Burkard Hillebrands
Fachbereich Physik
Technische Universität Kaiserslautern
+49 631 205-4228
hilleb@physik.uni-kl.de
http://www.physik.uni-kl.de/hillebrands

Prof. Dr. Georg von Freymann
Fachbereich Physik
Technische Universität Kaiserslautern
+49 631 205-5225
georg.freymann@physik.uni-kl.de
http://www.physik.uni-kl.de/freymann

Weitere Informationen:

http://www.physik.uni-kl.de/hillebrands
http://www.physik.uni-kl.de/freymann

Thomas Jung | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau
17.11.2017 | Universität Ulm

nachricht Zwei verdächtigte Sterne unschuldig an mysteriösem Antiteilchen-Überschuss
17.11.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ultrakalte chemische Prozesse: Physikern gelingt beispiellose Vermessung auf Quantenniveau

Wissenschaftler um den Ulmer Physikprofessor Johannes Hecker Denschlag haben chemische Prozesse mit einer beispiellosen Auflösung auf Quantenniveau vermessen. Bei ihrer wissenschaftlichen Arbeit kombinierten die Forscher Theorie und Experiment und können so erstmals die Produktzustandsverteilung über alle Quantenzustände hinweg - unmittelbar nach der Molekülbildung - nachvollziehen. Die Forscher haben ihre Erkenntnisse in der renommierten Fachzeitschrift "Science" publiziert. Durch die Ergebnisse wird ein tieferes Verständnis zunehmend komplexer chemischer Reaktionen möglich, das zukünftig genutzt werden kann, um Reaktionsprozesse auf Quantenniveau zu steuern.

Einer deutsch-amerikanischen Forschergruppe ist es gelungen, chemische Prozesse mit einer nie dagewesenen Auflösung auf Quantenniveau zu vermessen. Dadurch...

Im Focus: Leoniden 2017: Sternschnuppen im Anflug?

Gemeinsame Pressemitteilung der Vereinigung der Sternfreunde und des Hauses der Astronomie in Heidelberg

Die Sternschnuppen der Leoniden sind in diesem Jahr gut zu beobachten, da kein Mondlicht stört. Experten sagen für die Nächte vom 16. auf den 17. und vom 17....

Im Focus: «Kosmische Schlange» lässt die Struktur von fernen Galaxien erkennen

Die Entstehung von Sternen in fernen Galaxien ist noch weitgehend unerforscht. Astronomen der Universität Genf konnten nun erstmals ein sechs Milliarden Lichtjahre entferntes Sternensystem genauer beobachten – und damit frühere Simulationen der Universität Zürich stützen. Ein spezieller Effekt ermöglicht mehrfach reflektierte Bilder, die sich wie eine Schlange durch den Kosmos ziehen.

Heute wissen Astronomen ziemlich genau, wie sich Sterne in der jüngsten kosmischen Vergangenheit gebildet haben. Aber gelten diese Gesetzmässigkeiten auch für...

Im Focus: A “cosmic snake” reveals the structure of remote galaxies

The formation of stars in distant galaxies is still largely unexplored. For the first time, astron-omers at the University of Geneva have now been able to closely observe a star system six billion light-years away. In doing so, they are confirming earlier simulations made by the University of Zurich. One special effect is made possible by the multiple reflections of images that run through the cosmos like a snake.

Today, astronomers have a pretty accurate idea of how stars were formed in the recent cosmic past. But do these laws also apply to older galaxies? For around a...

Im Focus: Pflanzenvielfalt von Wäldern aus der Luft abbilden

Produktivität und Stabilität von Waldökosystemen hängen stark von der funktionalen Vielfalt der Pflanzengemeinschaften ab. UZH-Forschenden gelang es, die Pflanzenvielfalt von Wäldern durch Fernerkundung mit Flugzeugen in verschiedenen Massstäben zu messen und zu kartieren – von einzelnen Bäumen bis hin zu ganzen Artengemeinschaften. Die neue Methode ebnet den Weg, um zukünftig die globale Pflanzendiversität aus der Luft und aus dem All zu überwachen.

Ökologische Studien zeigen, dass die Pflanzenvielfalt zentral ist für das Funktionieren von Ökosys-temen. Wälder mit einer höheren funktionalen Vielfalt –...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungen

Roboter für ein gesundes Altern: „European Robotics Week 2017“ an der Frankfurt UAS

17.11.2017 | Veranstaltungen

Börse für Zukunftstechnologien – Leichtbautag Stade bringt Unternehmen branchenübergreifend zusammen

17.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Technologievorsprung durch Textiltechnik

17.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

IHP präsentiert sich auf der productronica 2017

17.11.2017 | Messenachrichten

Roboter schafft den Salto rückwärts

17.11.2017 | Innovative Produkte