Magnonen haben den Dreh raus

Viele Anwendungen der Informations­technologie haben ein Problem: Ihrer Weiterentwicklung sind physika­lische Grenzen gesetzt. Je leistungs­fähiger sie werden, desto mehr Energie verbrauchen sie und desto mehr erwärmen sie sich. Außerdem lassen sich die Techno­logien nur noch begrenzt weiter verkleinern. Einen möglichen Ausweg dafür haben Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der Universität Lanzhou in China gefunden. Sie beschreiben eine neue Art von Spinwellen, mit denen sich Informationen deutlich effizienter übertragen und verarbeiten lassen.

Konventionelle IT-Anwendungen basieren auf elektrischen Ladungs­strömen. „Diese gehen zwangsläufig mit Energieverlusten und einer Erwärmung der Umgebung, also des Materials, einher“, sagt der Jamal Berakdar von der MLU. Deshalb würden der Datendurchsatz und die weitere Verklei­nerung der Anwendungen mittlerweile an ihre physika­lischen Grenzen stoßen, so der Forscher weiter. Für ihre Studie untersuchten die Arbeits­gruppen von Berakdar und Chenglong Jia von der Universität Lanzhou deshalb eine Alternative zu den gängigen Ansätzen, auf denen aktuelle IT-Anwendungen, wie Datenkommunikation, Speichermedien, Chips und andere Bauteile, basieren.

Im Zentrum ihrer Arbeit standen dabei Magnonen. „Das sind Wellen, die sich mit nur einem Bruchteil der für Stromerzeugung benötigten Energie in Ferro­magneten anregen und praktisch ohne Wärme­erzeugung für die Signal­übertragung und für logische Operationen in verschiedenen Bauteilen einsetzen lassen“, erklärt Berakdar. In der aktuellen Studie beschreibt das deutsch-chinesische Team eine Art von Wirbel­magnon, bei dem sich sowohl die Wirbel­stärke und die Windungs­zahl als auch die Orientierung der Wirbel kontrollieren lassen. Damit sei es möglich, Signale zu kodieren, die sich über weite Strecken ohne Dämpfungs­verluste ausbreiten können.

Weitere analytische und numerische Simula­tionen zeigten zudem, wie sich die Wirbel­magnonen in einem Wellen­leiter schrauben­förmig ausbreiten. Den Forschern zufolge ermöglichen diese Eigen­schaften eine zuver­lässige, drastische Erhöhung der Informations­übertragungs­dichte. Neben der Energie­sparsamkeit seien zudem die kontrol­lierbaren und verglichen mit optischen Wellen kurzen Wellenlängen von Vorteil, so Berakdar weiter. Das neue Verfahren könne sogar in bereits vorhandene Techno­logien integriert werden.

MLU / od

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Jia et al.: Twisted magnon beams carrying orbital angular momentum. Nat. Comm. 10, 2077 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-10008-3
• Nonequilibrium Many-Body Systems (J. Berakdar), Institut für Physik, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Halle/Saale