Der Zauber der Magnonen

(openPR) Stellen Sie sich einmal vor, Sie könnten die Eigenschaften eines Materials verändern, so dass es auf fast schon magische Weise zu einem anderen Material würde. Sie bräuchten hierfür aber weder Wundermittel noch Zauberstab, denn das Verfahren geschähe nur mit Hilfe von Licht, das die magnetischen Zustände des Materials anregt. Auf diese Weise könnten Sie kollektive Schwingungen in dem Material beeinflussen und dadurch Informationen potenziell im Terahertz-Bereich übertragen und speichern. Das Ganze fände bei Raumtemperatur statt, ohne nennenswerte Wärmeentwicklung. Es wären auch keine außergewöhnlichen Materialien wie seltene Erden erforderlich, denn das Verfahren basierte auf natürlich gewachsenen Kristallen, die weit verbreitet sind. Und um all dem noch die Krone aufzusetzen: Nun stellen Sie sich ferner vor, Sie könnten mit derselben Methode potenziell sogar Quanteneffekte bei Raumtemperatur ausnützen, also jene hochempfindlichen Prozesse, die bislang üblicherweise bei Tieftemperaturen von rund -270 Grad Celsius erforscht werden – aufwändige Kühlung künftig nicht mehr vonnöten.

Klingt zu gut, um wahr zu sein? Ein neues experimentelles Verfahren von Physikern der Universität Konstanz um Davide Bossini macht aber genau dies möglich. Über die kohärente Anregung von Magnonenpaaren mittels Laserpulsen gelangen dem Forschungsteam verblüffende Effekte, mit hohem Potenzial nicht nur für die Anwendung in der Informationstechnologie, sondern potenziell auch für die künftige Quantenforschung. Das überraschende Verfahren wurde im Juni 2025 in der Fachzeitschrift „Science Advances“ vorgestellt.

Technologie auf Basis von Magnonen
Doch halt, gehen wir zunächst zwei Schritte zurück: Wozu dient das Ganze? Mit Zauberei hat dies freilich nichts zu tun, dafür sehr viel mit Technologie. Wir leben in einer Zeit, in der künstliche Intelligenz und das „Internet der Dinge“ gewaltige Datenmengen erzeugen. Bereits heute zeichnet sich ab, dass die derzeit gebräuchlichen materiellen Grundlagen unserer Informationstechnologie diesen Datenmengen bald schon nicht mehr hinterherkommen werden. Ein Flaschenhals droht sich zu bilden, der die technologische Entwicklung bremst.

Als Lösung für dieses Problem schlagen Forschende bereits seit geraumer Zeit vor, mit Elektronenspins als Informationsträgern zu arbeiten, besser gesagt mit ganzen Spinwellen aus teils hundert Trilliarden Spins, die gemeinsam oszillieren. Derartige kollektive Spinanregungen werden in der Fachsprache Magnonen genannt. Sie verhalten sich wie eine Welle. Mit Hilfe von Lasern können sie beeinflusst und somit „gesteuert“ werden. Dies könnte zukünftig eine Informationsübertragung und -speicherung im Terahertzbereich ermöglichen.

Natürlich gibt es an der Sache einen Haken: Eine Einschränkung ist beispielsweise, dass wir Magnonen bisher nur im Zustand ihrer niedrigsten Frequenzen per Licht anregen können. Das Verfahren bleibt dadurch unter seinen Möglichkeiten. Für die technologische Nutzbarmachung von Magnonen wäre es hingegen eine entscheidende Voraussetzung, deren Frequenz, Amplitude und Lebensdauer beeinflussen zu können. Das Konstanzer Forschungsteam um Davide Bossini fand nun einen vielversprechenden Weg, um genau dies zu leisten. Überraschenderweise wird die Steuerung durch die direkte optische Anregung von Magnonenpaaren erreicht, welche die höchstfrequenten magnetischen Resonanzen im Material darstellen.

Eine riesige Überraschung
„Das Ergebnis war eine riesige Überraschung für uns. Es wurde bisher von keiner Theorie vorausgesagt“, schildert Davide Bossini. Nicht nur, dass das Verfahren funktioniert – es hat auch spektakuläre Effekte. Durch die Beeinflussung von Magnonen über Laserpulse gelang es den Physikern, die Frequenzen und Amplituden der Magnonen – und damit die magnetischen Eigenschaften des Materials – auf nicht-thermische Weise zu verändern.

„Ein jeder Festkörper besitzt einen eigenen Satz an Frequenzen: elektronische Schwingungen, Gitterschwingungen, magnetische Schwingungen. Jeder Stoff vibriert auf seine eigene Art und Weise“, veranschaulicht Bossini. Genau dieser Satz an Frequenzen lässt sich mit dem neuen Verfahren beeinflussen. „Das Wesen des Materials wird dadurch verändert, sozusagen die ‚magnetische DNA des Materials‘, sein ‚Fingerabdruck‘. Es ist vorübergehend praktisch ein anderes Material mit neuen Eigenschaften geworden“, so Bossini.

„Die Effekte passieren nicht durch die Laser-Anregung. Die Ursache ist das Licht, nicht die Temperatur“, bestätigt Bossini: „Wir können die Frequenzen und Eigenschaften des Materials auf nicht-thermische Weise verändern.“ Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Methode könnte für künftige Datenspeicher und zur schnellen Datenübertragung in Terahertz-Raten verwendet werden, ohne dass die Systeme durch Hitzeentwicklung ausgebremst würden.

Als Grundlage für das Verfahren sind keine spektakulären High-Tech-Materialien oder seltene Erden erforderlich, sondern natürlich gewachsene Kristalle – nämlich das Eisenerz Hämatit. „Hämatit ist weit verbreitet. Er wurde bereits vor Jahrhunderten für Kompasse in der Seefahrt verwendet“, erzählt Bossini. Gut möglich, dass Hämatit künftig nun auch für die Quantenforschung herangezogen wird. Die Ergebnisse des Konstanzer Forschungsteams legen nämlich nahe, dass mittels der neuen Methode auch lichtinduzierte Bose-Einstein-Kondensate aus hochenergetischen Magnonen möglich sind, und zwar bei Raumtemperatur. Das würde die Tür öffnen, um Quanteneffekte bei Raumtemperatur zu erforschen, ohne aufwändige Kühlung. Klingt wie Zauberei, ist aber nichts als Technologie und Spitzenforschung.

Das Projekt fand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 1432 „Fluktuationen und Nichtlinearitäten in klassischer und Quantenmaterie jenseits des Gleichgewichts“ statt.

Faktenübersicht:

•Originalpublikation: C. Schönfeld, L. Feuerer, J. Bär, L. Dörfelt, M. Kerstingskötter, T. Dannegger, D. Wuhrer, W. Belzig, U. Nowak, A. Leitenstorfer, D. Juraschek, and D. Bossini, Dynamical renormalization of the magnetic excitation spectrum via high-momentum nonlinear magnonics. Sci. Adv.11, eadv4207 (2025).
DOI: 10.1126/sciadv.adv4207
Link: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv4207
•Ein Projekt des Sonderforschungsbereichs SFB 1432 „Fluktuationen und Nichtlinearitäten in klassischer und Quantenmaterie jenseits des Gleichgewichts“.
•Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.

Hinweis an die Redaktionen:
Fotos stehen zum Download bereit:

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Bildunterschrift: Aufbau für ultraschnelle nichtlineare Kontrolle von Materialien im mittelinfraroten Spektralbereich, Forschungsgruppen Leitenstorfer und Bossini, Universität Konstanz.
Copyright: Gillian Kiliani