Licht und Magnetismus hängen in der Physik eng zusammen. Forschende in Dresden haben nun entdeckt, dass sie in bestimmten Quantenmaterialien noch enger wechselwirken als bislang bekannt. Dabei beobachtete ein internationales Team im Exzellenzcluster ctd.qmat an der Technischen Universität Dresden einen bislang unbekannten Effekt: Winzige lichtangeregte Teilchen wurden von magnetischen Wellen durch ein extrem dünnes Kristallmaterial getragen und dabei stark beschleunigt.
Diese Teilchen entstehen, wenn ein Laserpuls Elektronen im Material anregt. Für kurze Zeit verhalten sich die angeregten Elektronen und die Lücken, die sie hinterlassen, wie ein neues gemeinsames Teilchen. Zerfällt dieses wieder, sendet es Licht aus. Fachleute nennen solche Teilchen Exzitonen. "Dass die Bewegung optischer Teilchen magnetisch beeinflusst werden kann, ist neu. Bisher wusste man nur, dass der Transport von Elektronen durch die magnetische Ordnung in einem Quantenmaterial gesteuert werden kann“, erklärt Florian Dirnberger, der verantwortlich für das Forschungsprojekt war. Die Entdeckung könne neue technologische Möglichkeiten eröffnen, so Dirnberger.
Was das für morgen bedeutet
Heute nutzen Computer und Smartphones elektrische Signale, um Daten zu übertragen. Das erzeugt Wärme und kostet Energie. Schaltkreise, die auf Licht statt auf Strom setzen, könnten das ändern. "Schaltkreise, die auf Licht basieren, sind schneller und transportieren Informationen verlustfreier als aktuelle Technologien“, sagt Dirnberger. Wenn man solche Lichtschaltkreise zusätzlich magnetisch steuern könnte, würden sich neue Möglichkeiten für sogenannte Hybridtechnologien ergeben, also Systeme, die optische und magnetische Effekte miteinander verbinden.
Forschende arbeiten international daran, elektronische Bauteile künftig durch lichtbasierte oder spinbasierte Systeme zu ergänzen, die schneller arbeiten und weniger Energie verbrauchen könnten. Besonders die Verbindung von Magnetismus und optischen Effekten gilt als vielversprechend für zukünftige Quantencomputer, Datenspeicher und neuartige elektronische Bauteile. Die Dresdner Experimente liefern dafür nun einen neuen physikalischen Ansatz.
Die Ergebnisse des ctd.qmat-Teams wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht. Das Exzellenzcluster verbindet die Universitäten Würzburg und Dresden. Rund 300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus mehr als 30 Ländern arbeiten dort an neuen Quantenmaterialien und möglichen Technologien der Zukunft.
