Magneto-Akustische Wellen: Rund zwei Millionen Euro für Informationsverarbeitung mit Spin und Schall

Professor Dr. Mathias Weiler von der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) mit einem Consolidator Grant ausgezeichnet. Er erhält in den kommenden fünf Jahren rund zwei Millionen Euro. Weiler und sein Team beschäftigen sich mit Spinwellen und neuen spintronischen Bauelementen, mit denen sich das Speichern, Verarbeiten und Weiterleiten von Informationen deutlich beschleunigen ließe. Eine große Herausforderung ist dabei die Kontrolle magnetischer Materialien mit komplexer Spinordnung. Mit der Förderung will Weiler dazu jetzt akustische Oberflächenwellen nutzen, die bisher vor allem in unseren Smartphones technologisch eingesetzt werden.

Beim Verarbeiten von Informationen nutzen wir vor allem die elektrische Ladung von Elektronen. Geräte werden aber immer kleiner und leistungsfähiger. Elektrischer Strom mit seiner hohen Abwärme stößt hier an Grenzen. Daher arbeitet die Wissenschaft an Alternativen, etwa am Einsatz von Spinwellen. „Der Spin beschreibt den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, zum Beispiel bei einem Elektron oder Neutron“, sagt Professor Dr. Mathias Weiler, der an der TU Kaiserslautern zu angewandten Spinphänomenen forscht. „Er bildet die Grundlage für alle magnetischen Phänomene.“

Kollektive Anregungen von Spins - sogenannte Spinwellen - können mehr Informationen transportieren als Elektronen und dabei deutlich weniger Energie verbrauchen und weniger Abwärme erzeugen. Dies macht Spinwellen für die Anwendung interessant. Mit ihnen ließen sich neue spintronische Bauelemente entwickeln, die das Verarbeiten und Speichern von Informationen deutlich beschleunigen.

Eine wichtige Rolle spielen dabei magnetische Materialien, die komplexe Spinordnungen und damit einhergehende besondere Eigenschaften besitzen. Solche komplexen Spinordnungen finden sich in Antiferromagneten und magnetischen Skyrmionen. „Im Gegensatz zu Ferromagneten, die beispielsweise als Permanentmagnete breite technologische Anwendung finden, lassen sich die komplexen magnetischen Materialien nicht durch eine leicht kontrollierbare makroskopische Magnetisierung charakterisieren“, sagt Weiler. „Stattdessen ist ihre komplexe Spinstruktur durch quantenmechanische Austauschwechselwirkung und Topologie geschützt, lässt sich also nicht ohne Weiteres durch externe Magnetfelder stören." Durch diesen Schutz sowie Eigenfrequenzen, die den Terahertz-Bereich erreichen können, sind komplexe Spinsysteme für robuste und schnelle Informationsverarbeitung besonders geeignet.

Bisher existieren aber noch keine effizienten Methoden, um Spinwellen in diesen Systemen zu steuern. Das Potential dieser Materialklasse bleibt daher weitgehend ungenutzt. Hier setzt das von der EU geförderte Vorhaben „Magneto-Acoustic Waves in Complex Spin Systems“ (MAWiCS) an: Das Team um Mathias Weiler will komplexe Spinsysteme mit akustischen Oberflächenwellen (Englisch: Surface Acoustic Waves, SAW) verbinden. „Akustische Oberflächenwellen werden besonders in der Kommunikationstechnologie eingesetzt. Mit ihnen werden beispielsweise die zahlreichen Frequenzfilter in Smartphones realisiert“, so der Kaiserslauterer Physiker weiter. „Wir werden diese aktuelle Schlüsseltechnologie mit der zukunftsweisenden spin-basierten Informationstechnologie verknüpfen.“

Dabei machen sich die Physiker zunutze, dass SAWs sehr gut an diese komplexen Spinsysteme koppeln und es damit erlauben, sie sehr effizient zu kontrollieren. Der Arbeitsgruppe um Weiler kommt weiterhin ihre langjährige Expertise in der Nutzung von SAWs zur Kontrolle ferromagnetischer Systeme zugute. Diese Expertise wird das Team jetzt auf Antiferromagnete und chirale Magnete erweitern. „Mit unseren Experimenten wollen wir die Grundlage dafür legen, dass diese Materialien in der Informationsverarbeitung in die Anwendung kommen“, resümiert Weiler. „Sie können damit ein Vorreiter für eine neue Klasse von Informationstechnologie sein.“

Die Arbeiten werden im neuen Forschungsgebäude LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) auf dem Campus der TUK stattfinden. Eingebunden ist die Forschung von Weilers Team in das von Rheinland-Pfalz geförderte Landesforschungszentrum OPTIMAS (Optik und Materialwissenschaften), die gemeinsam mit der Johannes-Gutenberg Universität Mainz etablierte Forschungsinitiative TopDyn sowie das Schwerpunktprogramm SPP 2137 „Skyrmionics: Topological spin phenomena in real space for applications“ und den Sonderforschungsbereich SFB/TRR 173 „Spin+X – Spin in its collective environment“, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert werden.

Fragen beantwortet:
Professor Dr. Mathias Weiler
Angewandte Spinphänomene / Fachbereich Physik
Tel.: 0631 205-4099
E-Mail: weiler(at)physik.uni-kl.de