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Spinwellen geben ihre Energie überraschend langsam ab
Spinwellen könnten in künftigen Computern Informationen übertragen, ohne dass dafür Elektronen durch Leiter fließen müssen. Doch die Lebensdauer solcher magnetischen Anregungen hängt davon ab, wie sie Energie an das Kristallgitter abgeben. Röntgenmessungen an Kupferoxid zeigen nun eine charakteristische Erholungszeit von rund sieben Nanosekunden und erklären die überraschend langsame Energieabgabe.
Villigen (Schweiz). In heutigen Mikrochips werden Informationen durch elektrische Ströme verarbeitet. Dabei entstehen Wärme und Energieverluste, die den Betrieb leistungsfähiger Rechner aufwendig machen. Eine mögliche Alternative sind magnetische Anregungen, mit denen sich Informationen übertragen ließen, ohne dass ein vergleichbarer Transport elektrischer Ladungen nötig wäre.
Solche Anregungen entstehen, wenn sich die Ausrichtung von Elektronenspins, also den winzigen magnetischen Momenten von Elektronen, wellenförmig verändert. Diese Spinwellen werden auch Magnonen genannt. In Festkörpern können sie mit Phononen wechselwirken, den quantisierten Schwingungen der Atome im Kristallgitter. Beide werden als Quasiteilchen beschrieben, weil ihre Eigenschaften sich ähnlich wie die einzelner Teilchen berechnen lassen.
Forscher des Paul Scherrer Instituts (PSI) um Dr. Hiroki Ueda haben nun untersucht, wie solche Anregungen in Kupferoxid entstehen, sich untereinander verändern und schließlich Energie an das Kristallgitter abgeben. Dazu kombinierten sie verschiedene zeitaufgelöste Röntgenverfahren mit quantenkinetischen Simulationen. Kupferoxid ist ein Antiferromagnet, in dem benachbarte magnetische Momente entgegengesetzt angeordnet sind.
Zunächst schickte das Team einen ultrakurzen optischen Laserpuls auf eine Kupferoxidprobe. Der Lichtimpuls veränderte die Elektronenverteilung und störte dadurch die zuvor geordnete magnetische Struktur. Mit zeitlich versetzten Röntgenpulsen untersuchten die Wissenschaftler anschließend, was aus dieser Störung wurde. Über veränderliche Abstände zwischen Anregung und Messung rekonstruierten sie den zeitlichen Verlauf.
„Wir haben Kupferoxid gewählt, weil es als Material mit starker Wechselwirkung zwischen Magnetismus und Gitterschwingungen bekannt ist“, erklärt Arnau Romaguera vom Paul Scherrer Institut (PSI).
Entscheidend war eine erstmals für diese Fragestellung eingesetzte zeitaufgelöste resonante diffuse Röntgenstreuung. Sie macht sichtbar, wie sich schwache magnetische Anregungen auf unterschiedliche Impulse verteilen. Eine weitere Röntgenmethode erfasste die magnetische Ordnung, eine dritte die Schwingungen des Kristallgitters. Die Messungen erfolgten am Röntgenlaser SwissFEL und am Synchrotron ESRF in Grenoble.
Unmittelbar nach dem Laserpuls brach ein Teil der antiferromagnetischen Ordnung innerhalb von etwa 70 Femtosekunden zusammen. Dabei entstanden Magnonen, deren Energieverteilung zunächst nicht thermisch war. In den folgenden Pikosekunden streuten die Magnonen aneinander und verteilten ihre Energie neu, bis sich ein annäherndes inneres Gleichgewicht eingestellt hatte.
Die magnetische Ordnung erholte sich wesentlich langsamer. Aus der Erholung des Röntgenbeugungssignals bestimmten die Forscher eine charakteristische Zeitkonstante von rund sieben Nanosekunden. Zugleich beobachteten sie ein verzögertes Signal der Gitterschwingungen, das zu einer Energieübertragung von Magnonen auf Phononen passt. Dieses späte Signal blieb in der nicht magnetisch geordneten Phase aus.
„Angesichts der starken Kopplung zwischen dem Magnetismus und dem Gitter des Kupferoxids waren wir überrascht, wie lange es dauerte, bis die erzeugten Magnonen schliesslich ihre Energie an das Gitter abgaben“, sagt Arnau Romaguera.