Computer, die nicht mehr überhitzen und mit atemberaubender Geschwindigkeit funktionieren, während sie viel weniger Energie verbrauchen. Diese Perspektive könnte dank einer erstaunlichen Entdeckung Wirklichkeit werden, die zwei fundamentale physikalische Phänomene verbindet, die wir bisher für getrennt hielten. Forscher haben gerade demonstriert, wie unsichtbare magnetische Wellen elektrische Signale in Materialien erzeugen können und damit den Weg für eine neue Generation von Technologien ebnen.
In aktuellen elektronischen Geräten reist die Information hauptsächlich durch die Bewegung von Elektronen, diesen kleinen geladenen Teilchen, die in Schaltkreisen zirkulieren. Diese Bewegung stößt auf natürlichen Widerstand, was Erwärmung und signifikanten Energieverlust verursacht. Wissenschaftler erforschen daher effizientere Alternativen, und genau das macht ihre jüngste Entdeckung so vielversprechend. Sie haben sich für spezielle magnetische Wellen namens Magnonen interessiert, die unsere Art, elektronische Chips zu konzipieren, revolutionieren könnten.
Illustrationsbild Pixabay Das Forschungsteam konzentrierte sich auf eine spezifische Kategorie von Materialien, in denen sich die magnetischen Eigenschaften abwechselnd organisieren. In diesen Strukturen können sich Magnonen mit extrem hohen Frequenzen bewegen, potenziell tausendmal schneller als in klassischen Magneten. Die Herausforderung bestand darin, diese magnetischen Wellen zu detektieren und zu kontrollieren, da ihre Effekte sich gegenseitig aufzuheben schienen. Dank fortgeschrittener Computersimulationen konnten die Wissenschaftler ein unerwartetes Phänomen beobachten: Die Bewegung der Magnonen erzeugt eine messbare elektrische Polarisation.
Diese Verbindung zwischen Magnetismus und Elektrizität eröffnet erhebliche praktische Möglichkeiten. Die Forscher erklären, dass es möglich werden könnte, Magnonen durch Messung der elektrischen Signale, die sie produzieren, zu detektieren. Mehr noch, man könnte externe elektrische Felder, einschließlich jener des Lichts, nutzen, um ihre Bewegung zu lenken. Sie stellen sich Vorrichtungen vor, in denen traditionelle metallische Leiter durch Magnonenkanäle ersetzt würden, was ermöglicht, Information viel schneller und mit minimalem Energieverschleiß zu übertragen.
Das Team entwickelte einen mathematischen Rahmen, um zu verstehen, wie der Bahndrehimpuls der Magnonen ihr Gesamtverhalten beeinflusst. Sie entdeckten, dass wenn diese Eigenschaft mit den Atomen des Materials interagiert, sie eine elektrische Polarisation erzeugt. Durch Erwärmen einer Seite des Materials mehr als der anderen beobachteten sie ebenfalls, dass Magnonen von warmen zu kalten Zonen wandern und dadurch eine messbare elektrische Spannung erzeugen. Diese Mechanismen bieten Wissenschaftlern nun mächtige Werkzeuge, um den Transport magnetischer Wellen vorherzusagen und zu manipulieren.
Die Arbeiten werden nun im Labor fortgesetzt, wo die Forscher ihre theoretischen Vorhersagen experimentell testen. Sie untersuchen besonders, wie Magnonen mit Licht interagieren, und versuchen zu bestimmen, ob der Drehimpuls des Lichts dazu dienen könnte, die Bewegung von Magnonen auszurichten oder zu detektieren. Diese Untersuchungen könnten die Entwicklung ultraschneller und extrem energieeffizienter Informationstechnologien beschleunigen und unsere Beziehung zu elektronischen Geräten nachhaltig verändern.
Die Funktionsweise von Magnonen
Magnonen repräsentieren eine besondere Form von Wellen, die sich durch magnetische Materialien ausbreiten. Um ihre Natur zu verstehen, muss man sich Elektronen als kleine Magneten vorstellen, deren Ausrichtung verändert werden kann. Wenn ein Elektron seine Richtung ändert, überträgt sich diese Veränderung auf benachbarte Elektronen und erzeugt eine Welle, die das Material durchquert, ohne die physische Bewegung von Teilchen zu erfordern.
Im Gegensatz zum Informationstransport durch bewegliche Elektronen übertragen Magnonen Daten durch aufeinanderfolgende Orientierungsänderungen. Diese Besonderheit ermöglicht es ihnen, Energieverluste durch elektrischen Widerstand zu vermeiden. Diese Wellen können phänomenale Geschwindigkeiten erreichen, die die Fähigkeiten aktueller Technologien bei weitem übertreffen.
Die Kontrolle von Magnonen stellt eine große Herausforderung für zukünftige Technologien dar. Forscher arbeiten daran, Methoden zu entwickeln, um diese magnetischen Wellen präzise zu lenken, insbesondere durch die Verwendung elektrischer oder Lichtfelder. Diese Beherrschung würde den Weg zu Vorrichtungen ebnen, in denen Information fast ohne Reibung zirkulieren würde, was den Energieverbrauch elektronischer Geräte erheblich reduzieren würde.
Quelle: Proceedings of the National Academy of Sciences