Verdrehte Nanoröhren, die eine Geschichte erzählen

In Zusammenarbeit mit deutschen Wissenschaftlern haben EPFL-Forscher gezeigt, dass die spiralförmige Geometrie winziger, verdrillter Magnetröhren genutzt werden kann, um Daten zu übertragen, die nicht auf Elektronen, sondern auf Quasiteilchen, den Magnonen, basieren.

Magnonik ist ein aufstrebender Teilbereich der Ingenieurswissenschaften, der sich mit der schnellen und effizienten Kodierung von Informationen ohne den für Elektronik typischen Energieverlust befasst. Dieser Energieverlust entsteht, wenn Elektronen, die durch einen Stromkreis fließen, Wärme erzeugen. In magnonischen Systemen findet jedoch überhaupt kein Elektronenfluss statt.

Stattdessen wird ein externes Magnetfeld auf einen Magneten angewendet, wodurch die magnetische Ausrichtung (oder „Spin“) der Elektronen des Magneten gestört wird. Diese Störung ermöglicht eine maßgeschneiderte kollektive Anregung, die als Spinwelle (Magnon) bezeichnet wird und sich durch den Magneten bewegt – ähnlich wie eine Welle, die sich über einen Teich ausbreitet –, während die Elektronen selbst an Ort und Stelle bleiben.

Trotz des Vorteils, dass kein Elektronenfluss stattfindet, sind dreidimensionale (3D) Magnonik-Systeme nach wie vor weitgehend experimentell, da sie in der Regel starke Magnetfelder oder extrem niedrige (kryogene) Temperaturen erfordern, die sie mit gängigen Geräten unvereinbar machen.

Nun haben Forschende des Labors für nanoskalige magnetische Materialien und Magnonik (LMGN) an der Ingenieurschule der EPFL die Magnonik einen großen Schritt näher an die praktische Anwendung gebracht, indem sie gleichzeitig die Notwendigkeit extremer Temperaturen beseitigt und eine 3D-Fertigungsmethode vorgestellt haben. Durch physikalisches Verdrehen von nanoskaligen Röhren aus ferromagnetischem Nickel induzierte das Team eine besondere Eigenschaft namens Chiralität, bei der sich die Symmetrie eines Objekts von der seines Spiegelbildes unterscheidet. Diese Asymmetrie führte dazu, dass Magnonen nur in einer Richtung entlang der Achse eines Rohrs flossen, was eine entscheidende Möglichkeit zur Kodierung binärer Informationen und zur Übertragung von Signalen auf einem Chip bot. Beispielsweise könnte das in einer „rechtsdrehenden” Spirale festgestellte Magnonenflussmuster für 0 stehen, während es in einer linksdrehenden Spirale für 1 stehen könnte.

LMGN-Leiter Dirk Grundler sagt, dass diese technische Meisterleistung auch eine Diode hervorbringt, eine Schlüsselkomponente der Elektroniktechnologie, die Signale nur in eine Richtung leitet. „Im Wesentlichen haben wir eine 3D-Diode für Magnonen geschaffen, die gleichzeitig Daten bei Raumtemperatur codieren kann.” Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Vollständig kompatibel und massenproduzierbar

Der Nanoengineering-Prozess des Teams, der von Huixin Guo und dem ehemaligen LMGN-Forscher Mingran Xu entwickelt wurde, umfasst den 3D-Druck eines verdrehten Polymerstabs und dessen Beschichtung mit einer extrem dünnen Nickelschicht. Während einige Materialien bei kryogenen Temperaturen spontan chirale Eigenschaften aufweisen, fanden die Wissenschaftler*innen der EPFL dank der Röntgenbildgebungsexperten des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe und der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II heraus, dass ihr geometriebasierter Ansatz zu einem stärkeren chiralen Effekt führte als jeder in der Natur beobachtete. Simulationen und theoretische Berechnungen deuten darauf hin, dass eine Verkleinerung der Röhren und eine Anpassung ihrer Spiralkrümmung diesen Effekt noch verstärken könnten.

„Wir sind die einzige Gruppe weltweit, die diese Strukturen aus Nickel herstellen kann, das von Natur aus keine chiralen Eigenschaften besitzt. Daher ‚prägen‘ wir die Chiralität im Wesentlichen allein mit Hilfe der 3D-Geometrie ein“, fasst LMGN-Forscher Axel Deenen zusammen.

Ihr Herstellungsverfahren, mit dem die ferromagnetischen Röhren in Serie produziert werden können, ist vollständig kompatibel mit der in der Mikroelektronikindustrie verwendeten Mainstream-Chip-Technologie – es sind keine starken Magnetfelder, speziellen Materialien oder extremen Temperaturen erforderlich. Obwohl ein Magnetfeld verwendet wird, um die Röhren und Spinwellen zu „programmieren“, werden diese magnonischen Informationen ohne bewegliche Ladung gespeichert, was sie zu einer stabilen und nichtflüchtigen Kodierungsmethode macht.

Grundler fügt hinzu, dass diese Arbeit in Zukunft die Einführung der Magnonik-Technologie als Treiber für neuromorphes oder vom Gehirn inspiriertes Computing für künstliche Intelligenz erleichtern könnte. „Hardware-implementiertes neuromorphes Computing ist der Schlüssel zur Optimierung von KI-Anwendungen, aber wie beim Gehirn macht, dies nur in Bezug auf 3D-Architekturen und geringen Energieverbrauch Sinn. Unsere Technologie ist nun bereit, dies zu unterstützen.“