Röntgenlicht deckt Wechselspiel von Quasiteilchen auf

Die Computertechnik der Zukunft könnte sehr viel effizienter und schneller werden, wenn es gelänge, die schnellen Umklappbewegungen der Elektronenspins in Festkörpern gut zu steuern und damit winzige logische Bausteine wie Transistoren zu bauen. Bei heutigen Computerchips fließen die Elektronen durch das Material, was für Stromverluste und Abwärme sorgt. Wenn stattdessen die Elektronen stillstehen und man nur ihre Spins manipuliert, dann lassen sich Spinwellen anregen, die Informationen transportieren. Die Spintronik nutzt dabei winzige magnetische Anregungen – Magnonen.

„Wir haben nun die Dynamik dieser Anregungen untersucht und dabei in unübertroffenem Detailreichtum sichtbar machen können, was dabei alles auf mikroskopischer Ebene im Material passiert“, sagt Hiroki Ueda, der das Projekt am Paul Scherrer Institut geleitet hat. Denn bislang ließen sich zwar verschiedene Aspekte untersuchen, wie sich solche Spinwellen im Material verhalten. Aber es ließ sich kein zusammenhängendes Bild gewinnen, da die verschiedenen Analysetechniken immer nur einen Teil der mikroskopischen Phänomene einfangen konnten. „Uns interessiert dabei vor allem der Zusammenhang der verschiedenen Anregungen im Material“, erklärt Ueda.

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Verborgene Harmonien

Neben den Magnonen spielen auch die Schwingungen der Atome im Kristallgitter. Um die gesuchten Phänomene sichtbar zu machen, mussten die Forschenden zunächst Magnonen erzeugen. Dazu schossen sie einen intensiven, kurzen, optischen Laserstrahl auf eine Materialprobe. „Wir haben Kupferoxid gewählt, weil es als Material mit starker Wechselwirkung zwischen Magnetismus und Gitterschwingungen bekannt ist“, sagt Arnau Romaguera vom Zentrum für Photonenforschung am PSI, Erstautor der neuen Studie. Der Laserpuls regte zunächst die Elektronen im Material an, was auch die anfangs noch ungeordneten Spins reihenweise umklappen ließ und dadurch Magnonen erzeugte. Dies geschah blitzschnell, innerhalb von Femtosekunden.

Die optisch angeregten Magnonen streuten dann aneinander und bildeten einen Zustand mit ungleichmäßigen Wellen – wie raue See. Das geschah im Bereich von Pikosekunden. Nochmals drei zeitliche Größenordnungen später, im Bereich von Nanosekunden, wechselwirkten die Magnonen dann mit den Atomen im Kristallgitter und wandelten ihre Energie in Phononen um. Das Interessante an diesen Ergebnissen ist, dass die Magnonen sehr langlebig sind, bevor sie sich in Phononen umwandeln.

Romaguera sagt: „Angesichts der starken Kopplung zwischen dem Magnetismus und dem Gitter des Kupferoxids waren wir überrascht, wie lange es dauerte, bis die erzeugten Magnonen schließlich ihre Energie an das Gitter abgaben.“ Die vergleichsweise lange Lebensdauer der Magnonen könnte somit einen hinreichend langen Zeitraum bieten, um kontrollierte logische Operationen durchzuführen. 

„Die Magnonen und Phononen weisen sehr unterschiedliche Beziehungen zwischen ihren Impuls- und Energiewerten auf“, erklärt Ueda. „Dies beeinflusst die Effizienz, mit der Magnonen ihre Energie an das Gitter übertragen können, was einerseits zur langen Lebensdauer der Magnonen führt und andererseits uns wichtige Erkenntnisse darüber liefert, wie wir mithilfe speziell entwickelter Materialien die Lebensdauer der Magnonen nach Wunsch anpassen können.“

Die Kunst bei diesen Experimenten bestand darin, all diese verschiedenen Phänomene über solche unterschiedlichen Zeitskalen überhaupt sichtbar zu machen. „Wir haben dazu mehrere verschiedene Röntgentechniken genutzt“, sagt Romaguera. „Sie alle haben gemein, dass man einen hochbrillanten Röntgenlaserpuls aus einem Freie-Elek­tronen-Laser kurz nach dem normalen Laserpuls, der die Magnonen erzeugt, auf die Probe schießt.“ Indem sie den Zeitabstand zwischen den beiden Impulsen schrittweise variierten, konnten die Forschenden das Geschehen im Material zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Anregung untersuchen. So konnten sie aufeinanderfolgende Schnappschüsse der mikroskopischen Vorgänge machen. Neben zwei etablierten Röntgentechniken hat das Forscherteam sogar eine neuartige Röntgentechnik erstmals eingesetzt, das „time-resolved resonant diffused scattering“. Diese Messungen wurden an der Furka-Expe­ri­men­tier­sta­tion des SwissFEL am PSI durchgeführt. Weitere Messungen machte das Team am ESRF-Synchro­tron in Grenoble, Frankreich. Ergänzt wurde das Ganze durch quantenkinetische Simulationen, um den gemessenen Energiefluss modellieren zu können.

„Unsere Messungen sind weitgehend konsistent mit den theoretischen Berechnungen“, erklärt Ueda. Das zeigt, dass die grundlegenden Theorien gut verstanden sind, auch wenn man sie an die Strukturen in jedem Material anpassen muss. Damit rückt die Elektronik der Zukunft, die Spintronik, wieder einen Schritt näher an die Anwendung. [PSI / dre]