Überraschende Schwingungszustände in Magnetwirbeln

Forschende am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossen­dorf (HZDR) haben in winzigen Magnet­wirbeln neue, bislang unbeob­achtete Schwingungs­zustände entdeckt – sogenannte Floquet-Zustände. Anders als in früheren Experimenten, die dafür energie­aufwendige Laser­pulse benö­tig­ten, reicht in Dresden dafür eine winzige Anre­gung mit magneti­schen Wellen. Das eröff­net nicht nur span­nende Fragen für die Grund­lagen­physik, sondern könnte eines Tages als eine Art Universal­adapter zwischen Elek­tro­nik, Spin­tro­nik und Quanten­bau­tei­len dienen.

Künstle­rische Dar­stel­lung Floquet-gesteu­erter Mag­no­nen: Ein stati­scher magne­ti­scher Wirbel wird durch zeit­periodi­sche An­re­gung in Bewe­gung ver­setzt und er­zeugt dabei einen mag­no­ni­schen Fre­quenz­kamm.

Quelle: K. & H. Schultheiß / HZDR

Magnetische Wirbel können sich in hauch­dünnen, mikro­meter­großen Scheiben aus einem Magnet­material bilden, zum Beispiel Nickel-Eisen. Bei diesen Wirbeln ordnen sich die Elementar­magnete kreis­förmig an. Durch einen Anstoß von außen können Wellen entstehen. „Diese Magnonen können Information durch den Magneten tragen, ohne dass Ladung fließt“, erklärt Projekt­leiter Helmut Schult­heiß vom Insti­tut für Ionen­strahl­physik und Material­forschung am HZDR. „Das macht sie für die Forschung an neuartigen Computer­techno­logien interessant.“

Vor einiger Zeit experimentierte sein Team an besonders kleinen Magnet­scheiben, indem es deren Durch­messer von einigen Mikro­metern auf wenige Hundert Nano­meter reduzierte. Damit wollte die Gruppe heraus­finden, inwie­weit sich unter­schied­lich große Scheiben für neuro­morphes Rechnen nutzen lassen, ein neu­arti­ges Computer­konzept. Doch bei der Auswer­tung der Daten fiel den For­schen­den auf, dass bei manchen Scheiben das gemes­sene Spektrum nicht nur eine einzige Resonanz­linie zeigte, sondern eine ganze Reihe fein aufgeteilter Linien – ein regel­rechter Frequenz­kamm. „Zuerst dachten wir, es sei ein Mess­arte­fakt oder irgendein Störimpuls“, erinnert sich Schult­heiß. „Doch als wir den Versuch wieder­holten, trat der Effekt wieder auf. Damit war klar: Da steckt etwas Neues dahinter!“

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Material für Magnonen

Die Erklärung des Phänomens fand sich in einer Theorie des französischen Mathe­ma­ti­kers Gaston Floquet. Bereits Ende des 19. Jahr­hun­derts hatte er gezeigt, dass Systeme, die rhyth­misch ange­stoßen werden, neue Zustände bilden können: Wird das System regel­mäßig ange­schubst, entstehen zusätz­liche Schwing­ungen, die es im Ruhe­zustand nicht gibt. Bisher ließen sich solche Floquet-Zustände zumeist nur mit starken Laser­pulsen erzeu­gen, verbun­den mit hohem Energie­aufwand. Doch das Dresdner Team fand heraus, dass sie in magneti­schen Wirbeln quasi von allein ent­ste­hen – voraus­gesetzt, die Magnonen werden stark genug anregt. Dann näm­lich geben sie einen Teil ihrer Energie an den Wirbel­kern weiter. Der beginnt darauf­hin, eine kleine Kreis­bewe­gung um sein Zen­trum zu voll­führen. Diese winzige Bewegung genügt, um den magne­ti­schen Zustand rhyth­misch zu modu­lie­ren.

In den Messungen machte sich das als Frequenz­kamm bemerkbar: Statt einer einzelnen klaren Resonanz tauchte ein ganzes Bündel regel­mäßig verteil­ter Linien auf – so, als würde ein einzelner Ton plötzlich in viele harmo­nische Teil­töne zerfallen. „Wir waren ver­blüfft, dass eine so kleine Bewe­gung des Kerns genügt, um das uns wohlbekannte Spektrum der Magnonen in eine ganze Reihe neuer Zustände aufzu­spalten“, erklärt Schult­heiß.

Das Besondere: Der Prozess lässt sich mit wenig Energie in Gang bringen. Wo anderswo leis­tungs­starke Laser­pulse benötigt werden, reichen hier Mikro­watt­leis­tungen – ein winziger Bruch­teil dessen, was ein Handy im Standby-Modus braucht. Dieser Umstand verspricht interes­sante Perspek­tiven. Bei­spiels­weise könnten solche Frequenz­kämme helfen, unter­schied­liche Systeme besser auf­ein­ander abzu­stimmen – etwa, wenn man ultra­schnelle Tera­hertz-Phäno­mene mit klassi­scher Elek­tronik oder Quanten­bau­teilen ver­knüpfen will. „Wir nennen das den Univer­sal­adapter“, erläutert Schult­heiß. „So wie sich mit einem USB-Adapter Geräte mit verschie­denen An­schlüs­sen mit­ein­ander verbinden lassen, könnten Floquet-Magnonen Fre­quenzen zusammen­bringen, die sonst nicht zuein­ander passen.“

Für die Zukunft hat das Team bereits Pläne. Es will testen, ob sich das Prinzip auch auf andere magne­ti­sche Struk­turen anwenden lässt. Auch für die Entwicklung neuer Computer­techno­logien könnte der Effekt bedeutsam werden, da sich damit Magnonen-Signale leichter mit elek­troni­schen Schal­tungen oder Quanten­systemen koppeln lassen. „Zum einem eröffnet unsere Entdeckung neue Wege, grund­legende Fragen des Magnetismus zu beant­worten“, betont Schultheiß. „Zum anderen könnte sie irgendwann helfen, die Welt der Elektronik, der Spin­tronik und der Quanten­infor­ma­tions­techno­logie besser mit­ein­ander zu ver­binden.“ [HZDR / dre]