Der französische Mathematiker Gaston Floquet entdeckte Ende des 19. Jahrhunderts, dass physikalische Systeme neue Zustände entwickeln können, wenn sie regelmäßig angestoßen werden. Die periodische Anregung sorgt dabei für zusätzliche Schwingungen und spezielle elektronische Zustände, die es im Ruhezustand nicht gibt. Bisher ließen sich solche Floquet-Zustände allerdings üblicherweise nur mit starken Laserpulsen erzeugen, verbunden mit hohem Energieaufwand.
La-Ola-Welle von Impulsen
Ein Team um Christopher Heins vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf ist nun auf eine Möglichkeit gestoßen, wie sich Floquet-Zustände mit deutlich weniger Energie erzeugen lassen: durch eine schwache Anregung mit magnetischen Wellen. Im Vorfeld der Entdeckung experimentierten die Forschenden mit mikroskopisch kleinen Magnetscheiben mit einem Durchmesser von nur einigen hundert Nanometern. In diesen Scheiben, bestehend aus Nickel und Eisen, können kleine magnetische Wirbel entstehen. Dabei ordnen sich die Spins der Atome wie winzige Kompassnadeln kreisförmig an.
Ein kleiner Impuls von außen sorgt dafür, dass jede einzelne Kompassnadel ein Stückchen kippt und den Impuls an ihre Nachbarn weitergibt. So entstehen Wellen, die sich wie eine La-Ola-Welle übe die Oberfläche des Materials fortsetzen. „Diese Wellen werden als Magnonen bezeichnet und können Information durch den Magneten tragen, ohne dass Ladung fließt“, erklärt Heins Kollege Helmut Schultheiß. „Das macht sie für die Forschung an neuartigen Computertechnologien interessant.“
Unerwartete Schwingungen
Als die Forschenden experimentelle Daten zu Magnonen in den winzigen Magnetscheiben auswerteten, stellten sie fest, dass sich entgegen ihrer Erwartungen nicht nur eine einzige Resonanzlinie zeigte, sondern eine ganze Reihe fein aufgeteilter Linien – ein ganzer Frequenzkamm. „Zuerst dachten wir, es sei ein Messartefakt oder irgendein Störimpuls“, sagt Schultheiß. „Doch als wir den Versuch wiederholten, trat der Effekt wieder auf. Damit war klar: Da steckt etwas Neues dahinter!“
Tatsächlich ließen sich die zusätzlichen Frequenzen dadurch erklären, dass in den magnetischen Wirbeln Floquet-Zustände entstanden waren – ganz ohne starke Laserimpulse oder andere energieintensive Techniken. Offenbar genügt allein die Anregung der Magnonen: Werden die Wellen stark genug, geben sie einen Teil ihrer Energie an den Wirbelkern weiter. Der beginnt daraufhin, eine kleine Kreisbewegung um sein Zentrum zu vollführen. Dadurch gerät der gesamte magnetische Zustand in eine rhythmische Schwingung, die zusätzliche Frequenzen hervorbringt. „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“, sagt Schultheiß.
Geringer Energieaufwand
Um die Floquet-Zustände in den Magnetscheiben zu erzeugen, genügen Leistungen im Mikrowatt-Bereich – ein winziger Bruchteil dessen, was ein Handy im Standby-Modus braucht. Das könnte neue Möglichkeiten für die Verknüpfung von Elektronik, Spintronik und Quantenbauteilen eröffnen. Die Frequenzkämme könnten dabei helfen, unterschiedliche Systeme besser aufeinander abzustimmen. „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.“
In zukünftigen Studien will das Team 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“, sagt Schultheiß. „Zum anderen könnte sie irgendwann helfen, die Welt der Elektronik, der Spintronik und der Quanteninformationstechnologie besser miteinander zu verbinden.“
Quelle: Christopher Heins (Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf) et al., Science, doi: 10.1126/science.adq9891
