29.04.2020

Abstoßende Magnonen

Grundlage für eine Datenübertragung mit magnetischen Wellen.

Eine Daten­übertragung, die mittels magnetischer Wellen anstelle elektrischer Ströme funktioniert – für viele Wissenschaftler ist das die Basis zukünftiger Techno­logien, mit der die Übertragung schneller und elektrische Bauteile kleiner und energie­sparender gemacht werden können. Magnonen, die Teilchen des Magnetismus, dienen dabei als bewegliche Informations­träger. Vor knapp fünfzehn Jahren gelang es Forschern der West­fälischen Wilhelms-Universität Münster erstmals, einen neuartigen Quantenzustand von Magnonen bei Raum­temperatur zu erreichen – ein Bose-Einstein-Kondensat aus magnetischen Teilchen bei sehr geringen Temperaturen.

Abb.: Ein Mikro­wellen-Resonator erzeugt Felder mit Frequenzen im...
Abb.: Ein Mikro­wellen-Resonator erzeugt Felder mit Frequenzen im Mikrowellen­bereich. Angeregte Magnonen bilden ein Bose-Einstein-Kondensat. Laser­licht zeichnete die Teilchen­dichte auf. (I. V. Borisenko et al. / NPG)

Seither fällt auf, dass dieses Bose-Einstein-Kondensat räumlich stabil bleibt – obwohl die Theorie voraussagt, dass ein Kondensat aus Magnonen eigentlich zusammen­fallen müsste, schließlich handelt es sich um anziehende Teilchen. Nun zeigen die Forscher erstmals, dass sich die Magnonen innerhalb des Kondensats abstoßend verhalten, was zur Stabi­lisierung des Kondensats führt. „Damit lösen wir einen langjährigen Widerspruch zwischen der Theorie und Praxis auf“, sagt Sergej O. Demokritov. Die Ergebnisse können für die Entwicklung zukünftiger Informations­technologien relevant sein.

Das Besondere am Bose-Einstein-Kondensat ist, dass sich die Teilchen über­wiegend im selben quanten­mechanischen Zustand befinden. Der Zustand kann daher durch eine einzige Wellen­funktion beschrieben werden, woraus Eigen­schaften wie die Supra­fluidität resultieren. Die Supra­fluidität zeichnet sich durch eine Null-Dissi­pation während der Bewegung des Kondensats bei tiefen Temperaturen aus. Zuvor waren die Vorgänge im Bose-Einstein-Kondensat ausschließlich in homogenen Magnet­feldern untersucht worden. Die Forscher verwendeten einen Mikro­wellen-Resonator, der Felder mit Frequenzen im Mikrowellen­bereich erzeugte, wodurch die Magnonen angeregt wurden und ein Bose-Einstein-Kondensat bildeten. Im aktuellen Experiment führten sie einen zusätzlichen Potenzialtopf ein. Dieser entspricht einem inhomogenen statischen Magnetfeld, das Kräfte erzeugt, die auf das Kondensat wirken. So konnten die Forscher die Wechsel­wirkung der Magnonen im Kondensat direkt beobachten.

Dazu nutzten die Brillouin-Streuung-Spektro­skopie. Dabei wurde die lokale Dichte der Magnonen mit dem Laserlicht einer Sonde aufgezeichnet, das auf die Oberfläche der Probe fokussiert war. Auf diese Weise erhoben sie die räumliche Umver­teilung der Kondensat­dichte und beobachteten das Verhalten der magne­tischen Teilchen unter verschiedenen experimentellen Bedingungen. Die erhobenen Daten ließen die eindeutige Schlussfolgerung zu, dass die Magnonen im Kondensat abstoßend zueinander interagieren und dadurch das Kondensat stabil bleibt. Darüber hinaus beobachteten die Forscher zwei charak­teristische Zeiten der Dissipation: zum einen die Energie- und zum anderen die Impuls­dissipation im Kondensat. Die Zeit der Impulsdissipation erwies sich als sehr lang. „Das kann der erste experimentelle Nachweis für eine mögliche magnetische Supra­fluidität bei Raum­temperatur sein“, betont Sergej Demokritov.

Bisher wurde die Verwendung von Kondensaten aus magne­tischen Teilchen vor allem durch die kurze Lebensdauer des Kondensats erschwert. „Unsere Erkenntnisse über bewegtes Kondensat und die Untersuchung des Magnon-Transports sowie die Entdeckung zweier unter­schiedlicher Zeiten zeigen, dass die Lebens­dauer nichts mit der Impuls­dissipation des bewegten Kondensats zu tun hat“, sagt Igor Borisenko. Die Ergebnisse könnten daher neue Per­spektiven für Magnon-Anwendungen in zukünftigen Informations­technologien eröffnen.

WWU / JOL

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