Pressemitteilung der TU München vom 21.02.2012

Neue physikalische Effekte könnten den Energieverbrauch von Computern drastisch reduzieren:

Schneller, kleiner und energiesparender sollen die Rechner der Zukunft sein. Ein neuer Effekt könnte hierzu einen entscheidenden Beitrag leisten: Er benötigt 100.000 mal geringere Ströme als bisherige Technologien, und die Anzahl der Atome für ein Informationsbit könnte deutlich kleiner sein als bisher. Ein Team aus Physikern der Technischen Universität München (TUM) und der Universität zu Köln treibt diese Technologie voran. Nun haben sie eine einfache elektronische Methode entwickelt, mit der die Informationsbits verschoben und ausgelesen werden können. Über ihre Ergebnisse berichtet das Fachmagazin Nature Physics.

Vor drei Jahren entdeckten Professor Christian Pfleiderer und sein Team vom Physik-Department der TUM in einem Kristall aus Mangansilizium eine völlig neuartige magnetische Struktur, ein Gitter aus magnetischen Wirbeln. Zusammen mit Kollegen um Professor Achim Rosch an der Universität zu Köln erforschten sie die Eigenschaften dieser nach dem britischen Physiker Tony Skyrme Skyrmionen genannten Wirbel. Sie erwarteten sich neue Ergebnisse im Bereich der sogenannten Spintronics, Nanoelektronik-Bausteine, die nicht nur die elektrische Ladung von Elektronen sondern auch ihr magnetisches Moment, den Spin, zur Informationsverarbeitung nutzen.

Während Peter Grünberg und Albert Fert den Nobelpreis 2007 noch für Arbeiten erhielten, die zu einem bedeutend schnelleren Auslesen von Daten führten, konzentriert sich die Forschung seit einigen Jahren auf die Frage, wie man magnetische Informationen durch elektrische Ströme direkt in Materialien schreiben kann. Problematisch sind dabei jedoch bislang die erforderlichen extrem hohen Stromstärken, deren Nebeneffekte selbst in Nanostrukturen kaum zu bändigen sind. Da die Skyrmionen sich mit 100.000 mal niedrigeren Stromstärken bewegen lassen, ist das Interesse in Wissenschaft und Industrie extrem groß.

Schon bei der Entdeckung der magnetischen Wirbel war klar, dass Mangansilizium nicht das einzige Material bleiben würde, in dem solche Skyrmionen erzeugt werden können. Das bestätigte sich. Inzwischen haben japanische Forscher nachgewiesen, dass es möglich ist, einzelne Wirbel zu erzeugen und eine Gruppe von Physikern des Forschungszentrums Jülich sowie der Universitäten Hamburg und Kiel wies nach, dass die magnetischen Wirbel auch auf Oberflächen erzeugt werden können. Aus nur 15 Atomen bildeten sie ein Informations-Bit. Für ein magnetisches Bit einer heutigen Festplatte benötigt man dagegen etwa eine Million.

Wie allerdings die Information geschrieben, geändert und ausgelesen werden könnte, blieb ein Problem. Bisher verwendete das Team um Professor Pfleiderer die Neutronenstrahlung der benachbarten Forschungs-Neutronenquelle FRM II der TU München, um die Materialien zu untersuchen. „Wir können mit den Kristallen, die wir in unseren Labors im Physik-Department herstellen, direkt hinüber gehen und mit Neutronen die magnetische Struktur, deren Dynamik und viele andere Eigenschaften messen,“ sagt Christian Pfleiderer.

Mit Hilfe der Neutronenstrahlung konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass selbst geringste Stromstärken ausreichen, um die magnetischen Wirbel zu verschieben. Nun haben die Physiker eine Methode entwickelt, mit der sie die aus Spinwirbeln bestehenden Skyrmionen rein elektronisch bewegen und vermessen können. „Bewegen sich die magnetischen Wirbel im Material, so erzeugen sie ein elektrisches Feld,“ sagt Christian Pfleiderer. „Und das können wir nun mit im Labor verfügbarer Elektronik messen.“

Während man derzeit mit einem Strom im Schreib/Lesekopf einer Festplatte ein Magnetfeld erzeugt, um das Material an einer Stelle der Festplatte zu magnetisieren und ein Informationsbit zu schreiben, kann man die Skyrmionen direkt und mit sehr kleinen Strömen bewegen. „Damit sollte es möglich sein, Speicherung und Verarbeitung von Daten wesentlich kompakter und energetisch sehr viel effizienter zu gestalten“, sagt Christian Pfleiderer.

Bisher sind allerdings für die Messung der Effekte sehr tiefe Temperaturen nötig. Im Rahmen eines aus Mitteln des European Research Council geförderten Projekts entwickeln die Wissenschaftler derzeit neue Materialien, die Skyrmionen auch bei Raumtemperatur nutzbar machen sollen. Bis die ersten elektronischen Bauteile mit dieser Technologie auf den Markt kommen, ist jedoch noch einiges an Forschungsarbeit zu leisten.

Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, SFB 608, TRR 80, FOR 960), der Deutsche Telekom Stiftung, dem European Research Council (ERC Advanced Grant) sowie der TUM Graduate School und der Bonn Cologne Graduate School.

Originalpublikation:
Emergent electrodynamics of skyrmions in a chiral magnet
T. Schulz, R. Ritz, A. Bauer, M. Halder, M. Wagner, C. Franz, C. Pfleiderer, K. Everschor, M. Garst and A. Rosch, Nature Physics, Online, 19 Februar 2012 – DOI: 10.1038/nphys2231

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Pressemitteilung der Universität Kassel vom 29.02.2012

Physikern der Uni Kassel ist es erstmals mit Hilfe von Laserpulsen gelungen, chirale Moleküle mit hoher Empfindlichkeit nachzuweisen. Die neue Technik besitzt ein erhebliches Anwendungspotenzial in der Chemie- und Pharmaforschung.

Forscher des Fachgebiets Experimentalphysik III – Femtosekundenspektroskopie und ultraschnelle Laserkontrolle – unter der Leitung von Prof. Dr. Thomas Baumert und Prof. Dr. Matthias Wollenhaupt konnten in einem nur tischgroßen Laserexperiment Effekte im Bereich von zehn Prozent für Moleküle mit unterschiedlicher Chiralität demonstrieren. Die durchgeführten Experimente waren derart empfindlich, dass bereits an hochverdünnten Molekülen eindeutige Messsignale beobachtet werden konnten. Da diese Signale mit Hilfe von Laserpulsen der Dauer einiger Billardstelsekunden aufgenommen wurden, ist diese Messung im Prinzip auch ultraschnell. Ähnliche Empfindlichkeiten konnten bislang nur mittels Synchrotronstrahlung an Großforschungsanlagen erzielt werden.

Die linke Hand von der rechten zu unterscheiden ist ein Kinderspiel. Linkshändige Moleküle von rechtshändigen zu unterscheiden ist dagegen eine wissenschaftliche Herausforderung, die umso größer wird, je weniger Moleküle zur Verfügung stehen. Dabei ist Chiralität („Händigkeit“) von zentraler Bedeutung in der Natur. Denn wie Moleküle reagieren, wie sie riechen, schmecken oder wirken, hängt nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern häufig auch von ihrer räumlichen Anordnung ab.

Während natürlich vorkommende Moleküle meist nur in einer – links- oder rechtshändigen – Variante bekannt sind, treten bei synthetisch erzeugten Molekülen des gleichen Stoffs oft zwei spiegelbildlich ausgerichtete Varianten auf. Diese beiden Molekülvarianten („Enantiomere“) haben oft sehr unterschiedliche Eigenschaften, was vor allem bei Medikamenten schwer wiegende Konsequenzen haben kann. Während das eine Enantiomer heilend wirkt, kann das andere unwirksam oder für den Menschen sogar schädlich sein. Bei Medikamenten, die auf chiralen Molekülen basieren, hat die chemische Analytik daher eine enorm hohe Bedeutung für die Sicherheit und zuverlässige Wirkungsweise.

Mit Hilfe von energiereichen Lichtstrahlen, die nur in Großforschungsanlagen zur Verfügung stehen, gelingt eine derartige Unterscheidung an geringsten Mengen unregelmäßig ausgerichteter Moleküle in der Gasphase erst seit wenigen Jahren. Als Unterscheidungsmerkmal werden die durch die Lichtstrahlen ausgelösten Elektronen herangezogen. Für eine bestimmte Zirkularität des Lichts und eine bestimmte Chiralität des Moleküls verlassen die Elektronen das Molekül beispielsweise in Richtung des Lichtstrahls. Trifft der Lichtstrahl auf Moleküle mit abweichender Chiralität, so dreht sich die Richtung der Elektronen um. Sie fliegen nun überwiegend entgegen der Richtung des Lichtstrahls.

Ein mechanisches Modell kann diesen Sachverhalt veranschaulichen: Versetzt man die Mutter auf einer Schraube rechtsherum in Drehung, so wird sich die Mutter immer in die gleiche Richtung bewegen, egal ob die Schraubenspitze auf den Beobachter zu- oder von ihm weg zeigt. In diesem Beispiel entspricht die Mutter dem Elektron, die Schraube dem Molekül mit einer bestimmten Chiralität und die Rechtsdrehung der Zirkularität des Lichts. Die Richtung der Schraube stellt zwei Extremfälle der unregelmäßig ausgerichteten Moleküle dar. Dieser Vergleich stammt von dem englischen Forscher Ivan Powis, der solche Untersuchungen an Großforschungsanlagen durchgeführt hat.

Für eine Routineanalytik stehen Großforschungsanlagen allerdings nicht zur Verfügung. Hier setzen nun die Arbeiten von Christian Lux, Matthias Wollenhaupt, Tom Bolze, Qingqing Liang, Jens Köhler, Christian Sarpe und Thomas Baumert ein. Das Team setzte ihre energiearmen – aber dafür intensiven – Laserpulse aus dem Labor ein. Im Unterschied zu den Experimenten an einer Großforschungsanlage werden jetzt mehrere Photonen zum Auslösen der Elektronen verwendet. Die Richtungsverteilung der ausgelösten Elektronen wird dadurch weiter verfeinert. Aufgrund der Handlichkeit des Laboraufbaus und wegen der beachtlichen Größe der beobachteten Effekte eröffnet dieser Ansatz einen wichtigen Zugang zu einer neuartigen Analytik. Weil die Laserpulse im Labor zudem auch noch auf Zeitskalen der Bewegung der Elektronen und Kerne der Moleküle maßgeschneidert werden können, erhoffen sich die Forscher auch neue grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkung chiraler Moleküle in Lichtfeldern.

Die Arbeiten der Kassler Forscher werden in der 20. Ausgabe 2012 der international renommierten Zeitschrift Angewandte Chemie im Druck erscheinen und wurden am 20. Februar 2012 online gestellt (DOI: 10.1002/anie.201109035). Die Gutachter der Zeitschrift zeichneten den Beitrag mit dem „VIP“ Status (VIP = very important paper) aus.

Externer Link: www.uni-kassel.de