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Archiv des Autors: PaulWutz
Spintronik: Neue Theorie zu Spinwellen in Magnetfeldern
Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 16.09.2015
Kooperation von Physikern aus Regensburg und Halle
Physiker der Universität Regensburg und der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben auf der Grundlage von Experimenten eine neue Theorie entwickelt, um die nicht-linearen Eigenschaften sogenannter Spinwellen bei kleinen Magnetfeldern besser beschreiben zu können. Mit Hilfe des neuen Modells können Vorhersagen zum Verhalten dieser Wellen schneller und genauer getroffen werden. Das Verständnis dieser nicht-linearen Eigenschaften von Spinwellen wird zum Beispiel für die Entwicklung neuer Speichertechnologien benötigt. Die Ergebnisse wurden soeben im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.
In der Spintronik nutzen Wissenschaftler die magnetischen Eigenschaften von Elektronen aus. Eine zentrale Eigenschaft ist dabei der sogenannte Spin, eine Art Eigendrehimpuls, der ein magnetisches Moment bewirkt. Die einzelnen magnetischen Momente sind in einem ferromagnetischen Material gekoppelt und parallel ausgerichtet. Werden diese Momente nacheinander ausgelenkt, so breitet sich die Anregung wellenartig aus. „Spinwellen beschreiben den kollektiven Anregungszustand von magnetischen Systemen“, erläutert Prof. Dr. Christian Back vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, einer der Autoren der neuen Studie.
Magnetische Materialien werden heute in der Informations- und Speichertechnologie genutzt, um immer kleinere und schnellere Speicher herstellen zu können, zum Beispiel Festplatten von Computern. So können Daten inzwischen in einer nur wenige Nanometer dicken magnetischen Schicht gespeichert werden. „Damit das funktioniert, ist es wichtig, dass die magnetischen Momente ihren Zustand mit der Zeit nicht verändern“, erklärt Prof. Dr. Georg Woltersdorf, der kürzlich von der Universität Regensburg an das Institut für Physik an der MLU gewechselt ist. Zum Umschalten sind eigentlich große Magnetfelder erforderlich. „Eine Alternative ist die resonante Anregung mit magnetischen Wechselfeldern im Gigaherzbereich. Dabei werden große Amplituden erreicht und die Magnetisierung reagiert nicht-linear.“, so Woltersdorf.
Damit diese Technologie funktionieren kann, sind korrekte Vorhersagen zum Verhalten der Spinwellen innerhalb der Bauteile nötig. Die bisherigen Modelle, um dieses Verhalten zu beschreiben, waren aber bei kleinen Magnetfeldern nicht anwendbar. Gerade dies ist jedoch für manche Bauelemente in der Spintronik von großem Interesse.
Ihre Experimente haben die Wissenschaftler im Synchrotron BESSY II des Helmholtz Zentrums Berlin durchgeführt. Dabei handelt es sich um einen deutschlandweit einzigartige Großforschungsanlage, an der sich Röntgenstrahlung erzeugen lässt, deren Energie und Polarisation exakt eingestellt werden kann. Das Messinstrument am BESSY II wurde im Rahmen eines BMBF Verbundforschungsprogramms unter der Leitung von Prof. Back aufgebaut. Mit den Experimenten konnten die Forscher die magnetische Resonanz messen und dabei die Amplitude der Magnetisierung exakt bestimmen. Anhand dieser Beobachtungen konnten die Physiker eine neue und verbesserte Theorie entwickeln: „Wir haben jetzt nicht nur ein genaueres Verständnis davon, wie nicht-lineare Dynamik bei kleinen Magnetfeldern abläuft“, so Woltersdorf. „Unser Modell lässt sich sowohl bei kleinen als auch bei großen Magnetfeldern anwenden.“ (Alexander Schlaak)
Angaben zur Publikation:
Bauer, H. G. et al. Nonlinear spin-wave excitations at low magnetic bias fields. Nat. Commun. 6:8274, DOI: 10.1038/ncomms9274 (2015).
Externer Link: www.uni-regensburg.de
Basler Forscher entwickeln ideale Einzelphotonenquelle
Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.09.2015
Physiker der Universität Basel haben mithilfe eines Halbleiter-Quantenpunktes eine neuartige Lichtquelle entwickelt, die einzelne Photonen aussendet. Erstmals ist es den Forschern gelungen, einen Strom identischer Photonen zu erzeugen. Dies berichten sie zusammen mit Kollegen der Universität Bochum in der Fachzeitschrift «Nature Communications».
Eine Einzelphotonenquelle sendet nie zwei oder mehr Photonen gleichzeitig aus. Wichtig sind einzelne Photonen in der Quanteninformationstechnologie, die beispielsweise im Quantencomputer Anwendung findet. Neben Helligkeit und Robustheit der Lichtquelle ist vor allem die Ununterscheidbarkeit der Photonen entscheidend. Das bedeutet insbesondere, dass alle Photonen die gleiche Farbe haben müssen. Eine solche Quelle von identischen Einzelphotonen zu realisieren, gestaltete sich bisher als sehr anspruchsvoll.
Vielversprechende Kandidaten für eine solche Einzelphotonenquelle sind sogenannte Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien. Ein Quantenpunkt ist eine Ansammlung von wenigen Hunderttausend Atomen, die sich unter bestimmten Bedingungen in einem Halbleiter selbstständig formiert. Einzelne Elektronen können in solchen Quantenpunkten eingefangen und auf engstem Raum eingeschlossen werden. Das Aussenden eines einzelnen Photons erfolgt beim Zerfall eines angeregten Quantenzustandes.
Rauschen im Halbleiter
Ein Team von Wissenschaftlern um Dr. Andreas Kuhlmann und Prof. Richard J. Warburton von der Universität Basel konnten bereits in vorangegangen Veröffentlichungen zeigen, dass die Ununterscheidbarkeit der Photonen durch fluktuierende Kernspins der Atome des Quantenpunktes reduziert wird. Nun ist es ihnen erstmals gelungen die Kernspins so zu kontrollieren, dass selbst Photonen, die mit sehr grossem zeitlichem Abstand ausgesandt wurden, die gleiche Farbe aufweisen.
Einzelphotonenquellen könnten Anwendung in der Quantenkryptographie und Quantenkommunikation finden – Technologien, durch die Berechnungen möglich wären, die für heutige Computer unmöglich sind.
Die Studie wurde durch den Nationalen Forschungsschwerpunkt «QSIT – Quantenwissenschaften und -technologie» unterstützt, an dem die Universität Basel als Co-Leading House beteiligt ist.
Originalbeitrag:
Andreas V. Kuhlmann, Jonathan H. Prechtel, Julien Houel, Arne Ludwig, Dirk Reuter, Andreas D. Wieck, und Richard J. Warburton
Transform-limited single photons from a single quantum dot
Nature Communications 6:8204 (2015) | DOI: 10.1038/ncomms9204
Externer Link: www.unibas.ch
Grundlage für industriellen Einsatz von Magnesiumblechen geschaffen
Presseinformation der HAW Landshut vom 20.08.2015
Forschungsprojekt an der Hochschule Landshut leistet wesentlichen Beitrag zur virtuellen Leichtbau-Produktentwicklung
Um das Leichtbaupotenzial von Magnesiumfeinblechen gerade im Automobilbau besser ausschöpfen zu können, wurde in einem vom Bund geförderten Forschungsprojekt an der Hochschule Landshut ein Verfahren zur Betriebsfestigkeitsanalyse für Leichtbaustrukturen aus Magnesiumknetlegierungen entwickelt. Anhand der Untersuchungsergebnisse ist eine genauere Betriebsfestigkeitsanalyse für Bauteile aus Magnesiumblechen möglich. Am Ende der dreijährigen Projekt-Laufzeit wurden beim Abschlusskolloquium Ergebnisse präsentiert, die auch in kommerzielle Betriebsfestigkeitstools einfließen werden und damit die Basis für die zuverlässige Lebensdauerberechnung von Bauteilen des Leichtbau-Werkstoffes bilden.
Die Leitung des im Rahmen des Förderprogramms „profUnt – Forschung an Fachhochschulen mit Unternehmen“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) mit 311.600 Euro geförderten Forschungsvorhabens „Betriebsfestigkeitsanalyse für Leichtbaustrukturen aus Magnesiumknetlegierungen – MagFest“ hatte Prof. Dr.-Ing. Otto Huber (Leiter Kompetenzzentrum für Leichtbau an der Hochschule Landshut, LLK) inne. Projektpartner waren die Adam Opel AG, CADFEM GmbH, Magnesium Flachprodukte GmbH sowie die Technische Universität Bergakademie Freiberg. Dipl.-Ing. (FH) Johannes Dallmeier, wissenschaftlicher Mitarbeiter im LLK, führte im Rahmen seiner Doktorarbeit die analytischen, numerischen und experimentellen Untersuchungen durch, wertete diese aus und entwickelte ein neues Modell zur Lebensdauerberechnung. Zusätzlich befassten sich 12 Abschlussarbeiten und 9 Projektarbeiten mit Themen der Betriebsfestigkeitsanalyse von Magnesiumblechstrukturen.
Berechenbarkeit als Voraussetzung für Nutzung
Magnesium ist mit rund 1,74 Kilogramm pro Kubikdezimeter einer der leichtesten metallischen Konstruktionswerkstoffe. Bauteile sind um ca. 30% leichter als solche aus Aluminium und bis zu 75% leichter als solche aus Stahl. Weitere Vorteile sind die nahezu unbegrenzte Verfügbarkeit und eine gute Recyclingfähigkeit. Bisher finden Magnesiumlegierungen zumeist in druckgegossenen Teilen in Motor und Getriebe Anwendung.
Der industrielle Einsatz von Magnesiumknetlegierungen in Form von Blechen befindet sich noch im Entwicklungsphase und ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit erst seit der Entwicklung neuer Fertigungsverfahren wie dem Gießwalzen bzw. dem Strangpressen erschwinglich. Das Verformungs- und Festigkeitsverhalten von Magnesiumfeinblechen bzw. generell Magnesiumknetlegierungen unterscheidet sich stark von dem der Magnesiumgusslegierungen. „Das Forschungsprojekt leistet einen wesentlichen Beitrag, um das Material und sein Verhalten besser verstehen, charakterisieren und berechnen zu können“, ist Prof. Dr. Huber überzeugt.
Eine Grundlage für den verstärkten Einsatz von Magnesiumfeinblechen in der industriellen Produktion bildet eine genaue Charakterisierung der Materialeigenschaften, die eine aussagekräftige numerische Betriebsfestigkeitsanalyse ermöglichen. Nur so können Schädigungsverläufe, Lebensdauer etc. simuliert und die Konstruktion bzw. Berechnung von Leichtbaustrukturen mittels Computer Aided Engineering (CAE) durchgeführt werden.
Wie sich im Vorfeld des Projektes bereits gezeigt hatte, waren für die im Forschungsvorhaben untersuchten Magnesiumknetlegierungen die verfügbaren Standard-Berechnungsmodelle nicht geeignet. Es waren deutliche Abweichung zwischen Simulation unter Verwendung herkömmlicher Berechnungsansätze und den durchgeführten Experimenten zu erkennen. „Dies, weil die spezielle Textur der Magnesiumfeinbleche, unter anderem zu einer ausgeprägten Zug-Druck-Asymmetrie sowie s-förmigen Spannungs-Dehnungs-Hysteresen führt“, wie Prof. Dr.Holger Saage (LLK) erläutert, unter dessen Leitung die Mikrostruktur der Werkstoffe analysiert wurde.
Neues Modell als Basis für virtuelle Entwicklung
Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich zum einen um die Magnesiumknetlegierung AM50, welche von der Magnesium Flachprodukte GmbH über das Gießwalzverfahren zu Feinblech verarbeitet wird. Bei AM50-Feinblechen werden gegenüber der bisher verwendeten Legierung AZ31 Vorteile wie höhere Duktilität und bessere Korrosionseigenschaften bei gleichzeitig niedrigerem Preis erwartet. Die Magnesiumknetlegierung ME21, aus der über das Strangpressverfahren Feinblech hergestellt wird, diente als Vergleichswerkstoff, um den Unterschied zwischen den beiden Legierungen und Verfahren bzgl. des mechanischen Verhaltens bewerten zu können. Dabei erwies sich die Magnesiumlegierung AM50 als besonders gut geeignet für den Einsatz in der Automobilproduktion.
Johannes Dallmeier entwickelte in seiner Dissertation, betreut von Prof. Dr. Klaus Eigenfeld (Technischen Universität Bergakademie Freiberg) und Prof. Dr. Otto Huber (Hochschule Landshut), ein neues Modell zur Lebensdaueranalyse von Magnesiumknetlegierungen. Mit geeigneten mathematischen Formulierungen erzielte er eine gute Übereinstimmung zwischen Rechenmodell und Experimenten. Hierzu war eine genaue Charakterisierung bzw. die Definition von relevanten Materialparametern nötig. Er entwickelte einen „energiebasierten Schädigungsparameter“ mit gewichteten Anteilen der unterschiedlichen Dehnungsenergiedichten, mit welchem sich eine deutlich bessere Korrelation gegenüber anderen Modellen erreichen lässt.
Die Erkenntnisse der Untersuchungen werden in die Betriebsfestigkeitssoftware nCode DesignLife einfließen und so der Industrie zur Verfügung gestellt. Damit lässt sich der virtuelle Produktentwicklungsprozess auch beim Einsatz von Magnesiumknetlegierungen umsetzen. Dies stellt einen wichtigen Baustein für den Serieneinsatz dieser innovativen Leichtbaumaterialien dar.
Externer Link: www.haw-landshut.de
technologiewerte.de – MOOCblick September 2015
Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.
Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:
Exploring Humans‘ Space: An Introduction to Geographicity
Jacques Lévy (École polytechnique fédérale de Lausanne)
Start: 21.09.2015 / Arbeitsaufwand: 40 Stunden
Externer Link: www.edx.org