Mit Licht und Magnonen die Eigenschaften eines Materials verändern
Über die kohärente Anregung von Magnonenpaaren mittels Laserpulsen gelingen verblüffende Effekte, mit hohem Potenzial nicht nur für die Anwendung in der Informationstechnologie, sondern auch für die künftige Quantenforschung – bei Zimmertemperatur.
Die derzeit gebräuchlichen materiellen Grundlagen unserer Informationstechnologie kommen den Datenmengen für künstliche Intelligenz und das „Internet der Dinge“ bald schon nicht mehr hinterher. Als Lösung für dieses Problem schlagen Forschende bereits seit geraumer Zeit vor, mit Elektronenspins als Informationsträgern zu arbeiten, besser gesagt mit ganzen Spinwellen aus teils hundert Trilliarden Spins, die gemeinsam oszillieren. Derartige kollektive Spinanregungen – Magnonen – verhalten sich wie eine Welle. Mit Hilfe von Lasern können sie beeinflusst und somit „gesteuert“ werden. Dies könnte zukünftig eine Informationsübertragung und -speicherung im Terahertzbereich ermöglichen. Ein Konstanzer Forschungsteam um Davide Bossini fand nun einen vielversprechenden Weg, um die Frequenz, Amplitude und Lebensdauer von Magnonen beeinflussen zu können.
„Das Ergebnis war eine riesige Überraschung für uns. Es wurde bisher von keiner Theorie vorausgesagt“, schildert Bossini. Nicht nur, dass das Verfahren funktioniert – es hat auch spektakuläre Effekte. Durch die Beeinflussung von Magnonen über Laserpulse gelang es den Physikern, die Frequenzen und Amplituden der Magnonen – und damit die magnetischen Eigenschaften des Materials – auf nicht-thermische Weise zu verändern.
Zauber der Magnonen
Verborgene Harmonien
Exotischer Quantenzustand beobachtet
„Ein jeder Festkörper besitzt einen eigenen Satz an Frequenzen: elektronische Schwingungen, Gitterschwingungen, magnetische Schwingungen. Jeder Stoff vibriert auf seine eigene Art und Weise“, veranschaulicht Bossini. Genau dieser Satz an Frequenzen lässt sich mit dem neuen Verfahren beeinflussen. „Das Wesen des Materials wird dadurch verändert, sozusagen die ‚magnetische DNA des Materials‘, sein ‚Fingerabdruck‘. Es ist vorübergehend praktisch ein anderes Material mit neuen Eigenschaften geworden“, so Bossini.
„Die Ursache ist das Licht, nicht die Temperatur“, bestätigt Bossini: „Wir können die Frequenzen und Eigenschaften des Materials auf nicht-thermische Weise verändern.“ Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Methode könnte für künftige Datenspeicher und zur schnellen Datenübertragung in Terahertz-Raten verwendet werden, ohne dass die Systeme durch Hitzeentwicklung ausgebremst würden.
Als Grundlage für das Verfahren sind keine spektakulären High-Tech-Materialien oder seltene Erden erforderlich, sondern natürlich gewachsene Kristalle – nämlich das Eisenerz Hämatit. „Hämatit ist weit verbreitet. Er wurde bereits vor Jahrhunderten für Kompasse in der Seefahrt verwendet“, erzählt Bossini. Gut möglich, dass Hämatit künftig nun auch für die Quantenforschung herangezogen wird. Die Ergebnisse des Forschungsteams legen nämlich nahe, dass mittels der neuen Methode auch lichtinduzierte Bose-Einstein-Kondensate aus hochenergetischen Magnonen möglich sind, und zwar bei Raumtemperatur. Das würde die Tür öffnen, um Quanteneffekte ohne aufwändige Kühlung erforschen zu können. [U Konstanz / dre]
