Rotierende Phononen für die Spintronik, PI Nr.28/2025
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Rotierende Phononen für die Spintronik
Die Forschungsgruppe ChiPS will Spintronik mit mechanischen Schwingungen koppeln – mit Hilfe von Phononen, die einen Drehimpuls haben. Ein Forschungsprojekt unter Federführung der Universität Konstanz.
Spintronik kommt bereits heute vielfach zum Einsatz: in Datenspeichern, in der Sensorik und zunehmend in der Kommunikationstechnologie. In vielen unserer Autos und Handys sind längst Komponenten verbaut, die auf Spintronik basieren. Spintronik bedeutet, dass nicht nur die elektrische Ladung als Informationsspeicher herangezogen wird, sondern auch der Elektronenspin – also der Eigendrehimpuls bzw. das magnetische Moment eines Elektrons.
Konstanzer Physiker wollen nun noch einen Schritt weiter gehen: In der Forschungsgruppe ChiPS („Chiral Phonons for Spintronics“) werden sie untersuchen, wie die Spintronik zusätzlich an mechanische Schwingungen, nämlich Phononen, angekoppelt werden kann. Eine Schlüsselrolle spielen dabei „chirale“ Phononen, also einfach gesprochen Atome, die einen links- oder rechtshändigen Drehimpuls haben. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gab am 31. März 2025 die Förderung der Forschungsgruppe ChiPS bekannt.
Chirale Phononen
Das Ziel der Forschungsgruppe ChiPS bringt ihr Sprecher Ulrich Nowak auf einen kurzen Nenner: „Wir wollen chirale Phononen erzeugen, transportieren und nachweisen. All diese Schritte sind im Wesentlichen Neuland.“ Ulrich Nowak ist Professor der Theorie magnetischer Materialien an der Universität Konstanz. Gemeinsam mit seinem Kollegen Peter Baum wies er in einer Nature-Publikation 2022 nach, wie chirale Phononen durch ultraschnelle Entmagnetisierung erzeugt und mit magnetischen Eigenschaften gekoppelt werden können – ein wichtiger Ausgangspunkt für die heutige Forschungsgruppe.
Phononen sind „Quasiteilchen“ – ein Konzept der Quantenphysik. Sie bezeichnen die kollektive Anregung der Gitterschwingung eines Festkörpers, also die kollektiven Bewegungen von sehr vielen Atomen. Wir können uns solche Gitteranregungen wie eine Welle vorstellen, die in Form von kleinen Atombewegungen durch den Festkörper läuft. „Chiral“ werden diese Phononen dann, wenn die Atome sich auf Bahnen so bewegen, dass sie einen links- oder rechtshändigen Drehimpuls bekommen, wie eine Schraube. Dieser Drehimpuls ist entscheidend, da er quantisiert ist und als Informationsträger genutzt werden kann. „Chirale Phononen haben einen mechanischen Drehimpuls, der mit dem Elektronenspin wechselwirken kann“, verdeutlicht Nowak. Auf diese Weise könnte der Spin sozusagen in mechanische Schwingungen „übersetzt“ werden – eine Grundlage für neuartige Technologien.
Einsatz in der Spintronik
„Wir wollen nun zeigen, dass man diese chiralen Phononen für die Spintronik ausnutzen und funktionalisieren kann. Die Vision wäre, dass wir in Zukunft neue Geräte haben, die nicht nur elektronisch oder spintronisch sind, sondern auch phononische Teile enthalten“, gibt Nowak einen Ausblick. Interessant wäre das zum Beispiel für neuartige Schaltkreise aus Materialien, die weder elektrisch leitend noch magnetisch sind, aber durch ihre Phononen trotzdem noch einen Drehimpuls transportieren und damit Information verarbeiten.
Auf Konstanzer Seite sind in der Forschungsgruppe ChiPS die Arbeitsgruppen von Ulrich Nowak, Sebastian Gönnenwein und Peter Baum vertreten. Neben der Universität Konstanz sind ferner Forschende aus Aachen, Augsburg, Berlin und Garching beteiligt. Die Forschungsgruppe wird für die Dauer von zunächst vier Jahren gefördert, mit der Möglichkeit der Verlängerung.
Faktenübersicht:
- Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert die Forschungsgruppe ChiPS („Chiral Phonons for Spintronics“)
- Sprecher: Prof. Dr. Ulrich Nowak, Universität Konstanz
- Förderhöhe: rund 3,2 Millionen Euro (inklusive Programmpauschale)
- Förderdauer: vier Jahre, mit Möglichkeit der Verlängerung
- Beteiligte Einrichtungen: Universität Konstanz, Universität Augsburg, Freie Universität Berlin, Max-Born-Institut Berlin, RWTH Aachen, Walther-Meißner-Institut (WMI) Garching
- Zur Pressemitteilung der DFG: https://www.dfg.de/de/service/presse/pressemitteilungen/2025/pressemitteilung-nr-06
Hinweis an die Redaktionen:
Fotos sind im Folgenden verfügbar:
Bildunterschrift: Versuchsaufbau zur Untersuchung von magnetooptischen Effekten
Copyright: Gillian Kiliani, Universität Konstanz
Bildunterschrift: Die ultraschnelle Entmagnetisierung führt zu einer Rotationsbewegung der Atome und damit zu chiralen Phononen.
Copyright: Ulrich Nowak, Andreas Donges, Hannah Lange, Universität Konstanz
Kontakt: Universität Konstanz Kommunikation und Marketing E-Mail: kum@uni-konstanz.de
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