Röntgenblitze zeigen langlebige Spinwellen in Kupferoxid

Ein Laserimpuls dauert nur Femtosekunden, also Billiardstel einer Sekunde, und in diesem Aufblitzen bringt er die Spins eines Kupferoxid-Kristalls reihenweise zum Kippen. Am Paul-Scherrer-Institut (PSI) in der Schweiz beschoss Hiroki Uedas Team die gleiche Probe anschließend mit einem zweiten Blitz, einem hochbrillanten Röntgenimpuls aus einem Freie-Elektronen-Laser der Anlage SwissFEL. Gemessen wurde, wie lange die entstehenden Wellen bestehen.

Der Grund für Interesse liegt in den Grenzen heutiger Computer. Chips aus Silizium stoßen an ihre physikalischen Grenzen: Bauteile lassen sich nicht unbegrenzt verkleinern, und Taktraten lassen sich nicht unbegrenzt steigern. In einem herkömmlichen Chip fließen Elektronen durch das Material, was Energieverluste verursacht und Abwärme erzeugt. Die hier untersuchte Alternative, die Spintronik, lässt die Elektronen an Ort und Stelle und transportiert Informationen über Spinwellen, ein wenig wie die Welle in einem Stadion, bei der die Menschen auf ihren Plätzen bleiben und nur die Arme bewegen. Die Wellen bestehen aus Magnonen, kollektiven Spinanregungen, die sich wie Quasiteilchen verhalten, das heißt, sie besitzen eine bestimmte Energie und einen bestimmten Impuls, obwohl sie keine echten Teilchen sind.

Neu ist die zeitliche Auflösung. Das Team verfolgte die Magnonen in drei Phasen. Innerhalb von Femtosekunden regt der Laser die Elektronen an, und die Spins beginnen gemeinsam zu kippen. Über Pikosekunden, also Billionstel einer Sekunde, stoßen die Magnonen zusammen und bilden, was Uedas Team als inkohärente Wellen beschreibt, vergleichbar mit rauer See. Dann, im Bereich von Nanosekunden, also Milliardstel einer Sekunde, geben die Magnonen ihre Energie an Schwingungen der Atome im Gitter ab, die Phononen genannt werden. Dieser letzte Schritt erfolgt drei Größenordnungen nach dem vorherigen. Romaguera sagte, das Team sei überrascht gewesen, wie lange die Übertragung dauert, angesichts der starken Kopplung zwischen Magnetismus und Gitter im Kupferoxid.

Das Ergebnis beruht auf einer Kombination von Methoden. Das Team nutzte die Pump-Probe-Technik und variierte die Verzögerung zwischen Laser- und Röntgenimpuls, um eine Folge von Momentaufnahmen zu erstellen, und ergänzte zwei etablierte Verfahren um eine neue Röntgenmethode. Bisher erfasste jede Methode nur einen Teil des Bildes, sodass niemand eine in sich geschlossene Erklärung dieser Wechselwirkungen hatte. Ueda und sein Team erklären, die Beziehung zwischen Magnonen und Phononen, die davon abhängt, wie Impuls und Energie in jeder Anregung zusammenhängen, bestimme, wie effizient Energie die Magnonen verlässt. Daraus folge, dass sich Materialien gezielt so gestalten ließen, dass sich diese Lebensdauer einstellen lässt. Es handelt sich allerdings um Befunde aus einer einzigen Kupferoxidprobe im Labor. Mit ihnen wurde bislang kein Logikbauteil gebaut oder getestet.

Für Ingenieure, die an Rechentechnik nach dem Silizium arbeiten, bedeutet das ein nutzbares Zeitfenster. Behalten Magnonen ihre Energie lange genug, könnte ein Bauteil sie im Prinzip manipulieren, bevor sie sich verflüchtigen, und genau das ist die Voraussetzung, um logische Operationen mit Spinwellen auszuführen und zu steuern. Das Team nennt für diesen Schritt kein Datum und hat weder einen Prototyp noch ein im großen Maßstab herstellbares Material oder Kosten beschrieben. Gezeigt hat es jedoch, dass die Physik der Welle selbst einem solchen Bauteil etwas bietet, womit es arbeiten kann.