Schnelles Abkühlen zur Weiterentwicklung der Quanten-Nanotechnologie

Die rasche Abkühlung von Magnon-Partikeln erweist sich als überraschend effektive Methode, um einen schwer fassbaren Quantenzustand der Materie, ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, zu erzeugen. Diese Erkenntnis kann dazu beitragen, die quantenphysikalische Forschung voranzutreiben und ist außerdem ein Schritt in Richtung des langfristigen Ziels des Quantencomputings bei Raumtemperatur.

Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat einen unkomplizierten Ansatz gefunden, um einen außergewöhnlichen Zustand der Materie, ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, auszulösen. Das neue Verfahren, das kürzlich in der Zeitschrift Nature Nanotechnology beschrieben wurde, soll die Forschung und Entwicklung des Quantencomputings bei Raumtemperatur voranbringen.

Das Team, das von Physikern der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) in Deutschland und der Universität Wien in Österreich geleitet wird, erzeugte das Bose-Einstein-Kondensat (BEC) durch eine plötzliche Temperaturänderung. Die Quasi-Partikel werden zunächst langsam aufgeheizt und dann schnell wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Sie präsentierten das Verfahren mit Hilfe von Quasi-Teilchen, die als Magnonen bezeichnet werden und die Quanten magnetischer Anregungen eines Festkörpers darstellen.

„Viele Forscher untersuchen verschiedene Arten von Bose-Einstein-Kondensaten“, erläutert Professor Burkard Hillebrands von der TUK, einer der führenden Forscher auf dem Gebiet des BEC. „Der neue Ansatz, den wir entwickelt haben, sollte für viele Systeme funktionieren.“

Rätselhaft und spontan

Bose-Einstein-Kondensate, benannt nach Albert Einstein und Satyendra Nath Bose, die erstmals ihre Existenz vermuteten, sind eine rätselhafte Art von Materie. Es handelt sich um Teilchen, die sich auf der Quantenebene spontan alle gleich verhalten und im Wesentlichen zu einer Einheit werden. Ursprünglich zur Beschreibung idealer Gasteilchen verwendet, wurden Bose-Einstein-Kondensate sowohl mit Atomen als auch mit Quasi-Teilchen wie Bosonen, Phononen und Magnonen gebildet.

Die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten ist eine knifflige Aufgabe, da sie per Definition spontan entstehen müssen. Die Voraussetzungen für die Erzeugung der Kondensate zu schaffen, bedeutet, keine Ordnung oder Kohärenz herbeizuführen, die die Partikel zu gleichem Verhalten anregt; die Partikel müssen dies eigenständig tun.

Zurzeit werden Bose-Einstein-Kondensate durch Absenken der Temperatur bis nahe an den absoluten Nullpunkt oder durch Injektion einer großen Anzahl von Teilchen bei Raumtemperatur in ein kleines Volumen erzeugt. Das Raumtemperaturverfahren, über das Hillebrands und seine Mitarbeiter erstmals 2005 berichteten, ist jedoch technisch komplex, und nur wenige Forschungsteams auf der ganzen Welt verfügen über die benötigte Ausrüstung und das erforderliche Know-how.

Das neue Verfahren hingegen ist viel einfacher. Man benötigt eine Wärmequelle und eine winzige magnetische Nanostruktur, die hundert Mal kleiner ist als die Dicke eines menschlichen Haares.

„Unsere jüngsten Fortschritte bei der Miniaturisierung von magnonischen Strukturen auf den nanoskopischen Maßstab ermöglichten es uns, das BEC aus einer ganz anderen Perspektive zu betrachten“, erklärt Professor Andrii Chumak von der Universität Wien.

Die Nanostruktur wird langsam auf 200°C erhitzt, um Phononen zu erzeugen, die ihrerseits wiederum Magnonen gleicher Temperatur erzeugen. Die Wärmequelle wird abgeschaltet, und die Nanostruktur kühlt innerhalb von etwa einer Nanosekunde schnell auf Raumtemperatur ab. Hierbei entweichen die Phononen zum Substrat, aber die Magnonen sind zu langsam, um zu reagieren, und bleiben innerhalb der magnetischen Nanostruktur.

Michael Schneider, leitender Autor und Doktorand in der Magnetismus-Forschungsgruppe der TUK, erklärte die Gründe dafür: „Wenn die Phononen entkommen, wollen die Magnonen die Energie reduzieren, um im Gleichgewicht zu bleiben. Da sie die Anzahl der Teilchen nicht vermindern können, müssen sie die Energie auf eine andere Art und Weise reduzieren. Daher fallen sie alle auf das gleiche niedrige Energieniveau.“

Indem sie spontan alle das gleiche Energieniveau einnehmen, bilden die Magnonen ein Bose-Einstein-Kondensat.

„Wir haben nie Kohärenz im System forciert“, erläutert Andrii Chumak, „daher ist dies ein sehr reiner und klarer Weg, um Bose-Einstein-Kondensate herzustellen“.

Unerwartete Ergebnisse

Wie so häufig in der Wissenschaft, hat das Team diese Beobachtung ganz zufällig gemacht. Sie wollten zunächst einen anderen Aspekt der Nanoschaltungen untersuchen, als sonderbare Dinge passierten.

„Zuerst dachten wir, dass mit unserem Experiment oder der Datenanalyse wirklich etwas nicht stimmt“, erklärt Michael Schneider.

Nach einer Besprechung des Projekts mit Partnern an der TUK und in den USA wurden einige experimentelle Parameter optimiert, um herauszufinden, ob es sich bei dem ungewöhnlichen Phänomen tatsächlich um ein Bose-Einstein-Kondensat handelt. Diese Überprüfung wurde mit Hilfe von Spektroskopietechniken durchgeführt.

Das Ergebnis wird in erster Linie andere Physiker interessieren, die diesen Zustand der Materie untersuchen. „Allerdings könnte die Veröffentlichung von Informationen über Magnonen und ihr Verhalten in einer Art makroskopischem Quantenzustand bei Raumtemperatur einen Einfluss auf die Entwicklung von Computern haben, die Magnonen als Datenträger verwenden“, sagt Burkard Hillebrands.

Andrii Chumak unterstrich die Bedeutung der Zusammenarbeit innerhalb der Landesforschungsinitiative OPTIMAS der TUK und des Sonderforschungsbereiches „Spin+X“ gemeinsam mit der Universität Mainz zur Lösung des Rätsels. Die Zusammenführung der Fachkenntnisse seines Teams in Bezug auf magnonische Nanostrukturen mit der Expertise von Hillebrands hinsichtlich Magnon-Bose-Einstein-Kondensate war unerlässlich. Ihre Forschung wurde durch zwei Stipendien des Europäischen Forschungsrats (ERC) erheblich gefördert.

Ursprüngliche Veröffentlichung:

M. Schneider, et al., Bose-Einstein Condensation of Quasi-Particles by Rapid Cooling, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-020-0671-z, (2020).

Wissenschaftlicher Kontakt:

Univ.-Prof. Dr. Andrii Chumak
Nanomagnetism and Magnonics, Faculty of Physics, University of Vienna
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
E-Mail: andrii.chumak@univie.ac.at
Tel.: +43-1-4277-73910
Mobil: +43-664-60277-73910
Internet: https://nanomag.univie.ac.at/

Prof. Dr. Burkard Hillebrands
AG Magnetismus, Fachbereich Physik, Technische Universität Kaiserslautern
Erwin-Schrödinger 56, 67663 Kaiserslautern
E-Mail: hilleb@physik.uni-kl.de
Tel.: +49 631 205-4228
Internet: https://www.physik.uni-kl.de/hillebrands/home/