Stellen Sie sich vor, Sie werfen einen Stein ins Wasser. Wellen breiten sich aus. Ähnliches passiert in winzigen Magnetscheiben, kaum dicker als ein Haar. Forschende am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf haben dort jetzt etwas Erstaunliches entdeckt. Sie fanden Schwingungszustände, die bisher niemand in Magnetwirbeln gesehen hatte.
Die Entdeckung begann mit einem Rätsel. Das Team um Dr. Helmut Schultheiß testete extrem kleine Magnetscheiben aus Nickel-Eisen. Jede Scheibe ist nur wenige hundert Nanometer groß. In diesen Scheiben bilden sich Magnetwirbel. Die Forscher regten diese Wirbel mit magnetischen Wellen an. Doch statt der erwarteten einfachen Schwingung sahen sie plötzlich ein ganzes Bündel von Signalen. „Zuerst dachten wir, es sei ein Messartefakt oder irgendein Störimpuls", erinnert sich Schultheiß. Der Effekt trat aber immer wieder auf.
Informationsübertragung wie eine La-Ola-Welle
Was passiert in diesen winzigen Scheiben? In einem Magneten verhalten sich die kleinsten Bausteine wie Mini-Kompassnadeln. Sie ordnen sich kreisförmig an. Werden sie angestoßen, entsteht eine Welle. Jede Nadel kippt ein Stückchen und gibt den Impuls weiter. Ähnlich wie bei einer La-Ola-Welle im Stadion. Fachleute nennen diese Wellen Magnonen. „Diese Magnonen können Information durch den Magneten tragen, ohne dass Ladung fließt", erklärt Schultheiß. Das macht sie interessant für neue Computertechnologien.
Die Dresdner Forscher fanden heraus, dass bei starker Anregung der Kern des Magnetwirbels zu rotieren beginnt. Diese winzige Drehbewegung reicht aus, um den magnetischen Zustand rhythmisch zu verändern. Dadurch entstehen die neuen Schwingungszustände. Die Theorie dazu stammt vom französischen Mathematiker Gaston Floquet aus dem 19. Jahrhundert. Solche Floquet-Zustände kannte man bisher aber nur aus Experimenten mit starken Laserpulsen.
Ein Adapter für die Computerwelt
Das Besondere an der Entdeckung: Statt einer einzelnen Schwingung entstehen viele verschiedene Frequenzen gleichzeitig. Die Forscher sprechen von einem Frequenzkamm. Wie bei einem Kamm reihen sich die Frequenzen fein säuberlich nebeneinander auf. Genau diese Vielfalt macht den Effekt so interessant. „Wir nennen das den Universaladapter", sagt Schultheiß. Elektronik, Spintronik und Quantencomputer arbeiten mit unterschiedlichen Frequenzen. Die Floquet-Magnonen könnten sie zusammenbringen.
Dazu kommt ein weiterer Vorteil. Wo andere Experimente leistungsstarke Laser brauchen, reichen hier Mikrowatt. Das ist ein winziger Bruchteil dessen, was ein Handy im Standby verbraucht. Der geringe Energiebedarf macht die Entdeckung besonders praktikabel.
Das Team plant bereits weitere Versuche. Es will testen, ob der Effekt auch in anderen magnetischen Strukturen funktioniert. Schultheiß betont die doppelte Bedeutung der Arbeit. „Zum einen eröffnet unsere Entdeckung neue Wege, grundlegende Fragen des Magnetismus zu beantworten. Zum anderen könnte sie irgendwann helfen, die Welt der Elektronik, der Spintronik und der Quanteninformationstechnologie besser miteinander zu verbinden."
