Spontane Kohärenz von Magnonen bei Raumtemperatur nachgewiesen
Erstmals zentrale Vorhersage der Theorie magnonischer Bose-Einstein-Kondensate experimentell bestätigt.
Forschende der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) haben einen entscheidenden experimentellen Nachweis erbracht: Erstmals konnte die spontane makroskopische Kohärenz quantisierter Anregungen magnetischer Materialien direkt beobachtet werden. Damit wurde eine zentrale Vorhersage der Theorie magnonischer Bose-Einstein-Kondensate bestätigt. Die Ergebnisse könnten langfristig neue Ansätze für die Signalverarbeitung, Sensorik und Informationstechnologie eröffnen.
Bose-Einstein-Kondensate (BECs) wurden ursprünglich in kalten Atomgasen nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt nachgewiesen. Vor zwanzig Jahren zeigte sich jedoch, dass ein vergleichbarer Phasenübergang auch in magnetischen Festkörpern auftreten kann – und zwar bei Raumtemperatur. Die entsprechende Studie wurde damals vom Fachbereich Physik der heutigen RPTU in Kaiserslautern gemeinsam mit Forschenden der Universitäten Münster, Oakland und Kyiv durchgeführt.
Obwohl die Existenz magnonischer BECs damit bereits seit Jahren bekannt ist, fehlte bislang ein direkter experimenteller Nachweis der spontanen Entstehung ihrer makroskopischen Phase und ihrer Unabhängigkeit von äußeren Anregungssignalen. Es handelt sich dabei um einen Zustand, in dem sich die Magnonen nicht mehr ungeordnet verhalten, sondern wie ein einziges gemeinsames Quantensystem mit wohldefinierter Phase und Frequenz. Diese spontane Kohärenz ist die definierende Eigenschaft aller Bose-Einstein-Kondensate. Bisher konnte diese Eigenschaft für magnonische BECs jedoch nicht experimentell nachgewiesen werden.
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Forschende der RPTU haben diesen Nachweis nun mithilfe hochpräziser, phasenaufgelöster Mikrowellenspektroskopie erbringen können. Dabei konnten sie die Kohärenz sowie die zufällige Wahl der Kondensatphase von Messung zu Messung direkt beobachten: „Man kann es sich so vorstellen, als ob aus einem rauschenden Audiosignal auf einmal ein klarer Ton mit nur einer wohldefinierten Frequenz wird – in diesem Moment tritt der Phasenübergang in ein Bose-Einstein-Kondensat auf“, erklärt Mathias Weiler, Leiter der Arbeitsgruppe Angewandte Spinphänomene an der RPTU.
Für die Beobachtung der Kohärenz benötigten die Forschenden ein Material, in dem Magnonen besonders lange existieren können. Deshalb nutzten sie Yttrium-Eisen-Granat (YIG), das Material mit der längsten bekannten Magnonlebensdauer. Im Experiment regen kurze, intensive Mikrowellenpulse zunächst ein dichtes Gas von Magnonen an. Anschließend wechselwirken die Magnonen miteinander, verlieren schrittweise Energie und bewegen sich in Richtung ihres energetischen Grundzustands. Innerhalb weniger Zehntel einer Mikrosekunde sammelt sich eine große Zahl von Magnonen in diesem Zustand an – ein Bose-Einstein-Kondensat entsteht. Georg von Freymann, ehemaliger Leiter der Arbeitsgruppe Optische Technologien und Photonik der RPTU und inzwischen an der Leibniz Universität Hannover tätig, erklärt: „Unsere Experimente zeigen erstmals direkt, dass Magnonen die zentrale Eigenschaft eines Bose-Einstein-Kondensats erfüllen. Damit wird eine lange bestehende Annahme der Theorie bestätigt.“
Für die Grundlagenforschung stellt das Ergebnis einen wichtigen Baustein zum Verständnis kollektiver Quantenzustände in Festkörpern dar. Gleichzeitig könnten magnonische BEC langfristig neue technische Möglichkeiten eröffnen. Besonders interessant ist, dass sie bei Raumtemperatur Eigenschaften zeigen, die an die Supraleitung erinnern. In Supraleitern kann elektrischer Strom widerstandsfrei fließen. In magnonischen BEC treten sogenannte Magnon-Supraströme auf. Dabei wird nicht elektrische Ladung, sondern Spin – eine fundamentale Quanteneigenschaft der Elektronen – verlustfrei transportiert.
Dadurch könnten sich völlig neue Bauelemente für die analoge Signalverarbeitung entwickeln lassen. Denkbar sind beispielsweise langfristig besonders empfindliche Detektoren für elektrische oder magnetische Felder sowie Schaltungen, die auf ähnlichen physikalischen Prinzipien beruhen wie Josephson-Kontakte in supraleitenden Systemen. Josephson-Kontakte bilden heute die Grundlage zahlreicher Präzisionstechnologien und sind grundlegende Bauelemente supraleitender Quantencomputer.
Oleksandr Serga, Koautor der Studie und gemeinsam mit Burkard Hillebrands, Leiter der Arbeitsgruppe Magnetismus der RPTU, bereits an der erstmaligen Entdeckung des magnonischen BEC beteiligt, erklärt: „Die Magnon-BEC-Forschung steckt im Vergleich zur Supraleitung noch in den Kinderschuhen. Denn die Entdeckung der Supraleitung fand etwa hundert Jahre vor der Entdeckung des Magnon-BEC statt. Während die Supraleitung mit der Entwicklung robuster Hochtemperatursupraleiter seit etwa 1980 einen technischen Siegeszug erlebte, besteht die Herausforderung für das Magnon-BEC wohl darin, den Magnon-BEC-Zustand über hinreichend lange Zeiträume aufrechtzuerhalten. Momentan erreichen wir nur Lebensdauern im Mikrosekundenbereich, haben aber bereits Ideen, wie wir diese verlängern können.“
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