Computing
Der Einsatz von Lasern zur Magnetisierung nichtmagnetischer Substanzen könnte moderne Computer revolutionieren
Quantencomputing birgt enormes Potenzial. Es könnte Industrien vollständig transformieren und die Art und Weise verändern, wie wir das Universum verstehen. Durch die Kombination der Prinzipien der Quantenmechanik mit der Informatik ermöglicht Quantencomputing die mühelose Lösung komplexer Probleme, indem riesige Datenmengen parallel verarbeitet und mehrere Lösungen gleichzeitig erkundet werden.
Auf diese Weise können Quantencomputer bei der Wirkstoffforschung, Klimamodellierung, der Verbesserung von KI-Fähigkeiten und der Lösung von Optimierungsproblemen helfen. Sie haben zudem Potenzial in der Cybersicherheit, indem sie bestehende Verschlüsselungsmethoden knacken und unknackbare Quantenverschlüsselungssysteme schaffen.
Im Laufe der Jahre haben wir bedeutende Fortschritte im Quantencomputing erzielt, darunter Quantenüberlegenheit, Fehlerkorrekturcodes und cloudbasierte Quantencomputer. Diese Fortschritte waren jedoch weitgehend auf die extrem niedrigen Temperaturen von Laboren beschränkt, was sich nun ändern könnte.
Jetzt haben Forscher am Nordischen Institut für Theoretische Physik (NORDITA), einer Zusammenarbeit der fünf nordischen Länder, der Stockholmer Universität und der Ca’ Foscari Universität Venedig, erfolgreich quantenmechanisches Verhalten bei Raumtemperatur demonstriert, indem sie Laserlicht nutzten. Zum ersten Mal konnte Laserlicht nichtmagnetische Materialien magnetisch machen.
Das ist von größter Bedeutung, weil Magnetismus eine Schlüsselrolle dabei spielt, wie ein Computer funktioniert. Der Computerspeicher verwendet kleinräumige Elektromagnete, die mit Spannung magnetisiert werden, um die binären Zustände „Ein“ oder „Aus“ zu ermöglichen. Die Art und Weise, wie Atome und Elektronen auf Magnetfelder reagieren, erlaubt elektronischen Geräten das Lesen, Schreiben und Manipulieren von Daten.
In dieser neuen Studie zeigten die Forscher, wie das Aussetzen eines nichtmagnetischen Materials an hochfrequente Laserstrahlung bei Raumtemperatur einen magnetischen Effekt erzeugen kann.
Der neue Durchbruch hat das Potenzial, den Weg für energieeffizientere und schnellere Computer, Informationsübertragung und Datenspeicherung zu ebnen. Er zeigt ein unglaubliches Versprechen, die Elektronik zu revolutionieren, insbesondere jene Geräte, die mit Quantentechnologie gebaut werden und typischerweise bei Temperaturen um den absoluten Nullpunkt (-273 °C) arbeiten.
Nichtmagnetische Materialien magnetisch machen
In der neuesten Studie verwendeten die Forscher Strontiumtitanat (SrTiO₃), ein Oxid des hochreaktiven Strontiums (Sr) und des leichten Titans (Ti). Bei für Menschen bewohnbaren Temperaturen besitzt es eine Perowskitstruktur und ist für seine hohe Dielektrizitätskonstante bekannt.
Dieses Material wurde Licht eines hochfrequenten Lasers ausgesetzt, das die Atome aufrührte und mobilisierte. Dadurch entstanden elektrische Ströme im Strontiumtitanat, die es magnetisch machten.
Zum Novum ihrer Methode sagte der leitende Autor der Studie, Stefano Bonetti, Physiker an der Stockholmer Universität und Ca’ Foscari:
„Im Konzept, Licht die Atome und Elektronen in diesem Material in eine Kreisbewegung zu versetzen, um Ströme zu erzeugen, die es so magnetisch machen wie einen Kühlschrankmagneten.“
Nichtmagnetische Materialien magnetisch zu machen ist jedoch nichts Neues. Es wurde bereits vorher vorhergesagt und untersucht.
Im Jahr 2015 veröffentlichte Nature Forschung, die zeigte, dass Kupfer und Mangan, zwei häufige nichtmagnetische Metalle, zu Magneten umgewandelt werden können, indem dünne Schichten der Metalle mit kohlenstoffbasierten organischen Molekülen kombiniert werden. Obwohl die Ergebnisse bei Raumtemperatur erzielt wurden, war das Magnetfeld schwach und verschwand nach wenigen Tagen.
Dieses Experiment basierte auf einer Theorie aus den 1930er‑Jahren des theoretischen Physikers Edmund Stoner von der University of Leeds, der untersuchte, was ein Element magnetisch macht.
Im Jahr 2020 konnte ein Forschungsteam nichtmagnetische Oxidmaterialien modifizieren und magnetisch machen, indem es das Schicht‑für‑Schicht‑Wachstum jedes Materials kontrollierte. Im selben Jahr nutzte ein weiteres Team Elektrizität, um Magnetismus im nichtmagnetischen Pyrit (Eisensulfid) zu aktivieren. Die in dieser Studie verwendete Technik war das Elektrolyt‑Gating, bei dem Pyrit mit einem Elektrolyten (Ionenflüssigkeit) in Kontakt gebracht und dann ein Volt Elektrizität angelegt wurde, das positiv geladene Moleküle bewegte und eine messbare magnetische Kraft erzeugte. In diesem Fall schaltete das Abschalten der Spannung den Magnetismus ebenfalls ab.
Die Nutzung von Licht, um die Eigenschaften eines Materials zu verändern, gewinnt ebenfalls seit einiger Zeit beträchtliche wissenschaftliche Aufmerksamkeit.
Der Punkt ist, dass Magnete und das Magnetfeld normalerweise durch zirkulierende Ströme erzeugt werden. Im Jahr 2019 beleuchteten Physiker nichtmagnetische Metallscheiben mit linear polarisiertem Licht, erzeugten zirkulierende elektrische Ströme und ließen das Magnetfeld spontan in der Scheibe entstehen. Grundsätzlich kann diese Methode nicht‑ferromagnetische Metalle in Magnete verwandeln „auf Abruf“ mittels Laserlicht.
Licht zur Drehung von Atomen & zur Stromerzeugung nutzen
Magnetisierung, die durch Rotation im makroskopischen Maßstab verursacht wird, ist als Barnett‑Effekt bekannt. Unter diesem Effekt wird ein Material vollständig rotiert, um die inhärenten Drehimpulse der ungeordneten magnetischen Elektronen auszurichten und ein resultierendes Magnetfeld im Inneren zu erzeugen.
Im neuen Experiment wurde die Rotation auf atomarer Ebene in nichtmagnetischen Materialien durch kreis‑polarisiertes Laserpulses erreicht. Die Pulse drehten die Atome im Material und erzeugten kollektive chirale Phononen, also kreis‑polarisierte Vibrationen, die mit der Frequenz des Lasers resonieren.
Dafür wurde eine neue Lichtquelle im fernen Infrarot (FIR) entwickelt, die kreis‑polarisiert ist, also die Form einer „Korkenzieher‑Spirale“ hat. Wenn Laserlicht dieser Polarisation in ein Material eintritt, wird die Kreis‑Polarisation auf dessen Atome übertragen, indem sie diese rotiert und atomare Ströme erzeugt. Stimmen die Frequenz des Lichts und die Schwingungsfrequenz des Atoms überein, wird der Effekt verstärkt und es entsteht ein recht starkes Magnetfeld.
So unterzog das von Bonetti geführte internationale Team das Quantenmaterial Strontiumtitanat (SrTiO₃) intensive, aber kurze Laserstrahlen einer besonderen Wellenlänge und Polarisation, um Magnetismus zu induzieren. Die 800‑nm‑Pulses von wenigen Pikosekunden wurden aus einem 100‑µm‑FIR‑Laser abgefeuert.
Insbesondere wurde die Kerr‑Rotation der Sondenpulse gemessen. Das Team nutzte zudem verschiedene Temperaturen von 160 bis 360 Kelvin. Dabei zeigte sich, dass die höchste Reaktion bei 280 K (7 °C) erreicht wurde. Zu diesem Zeitpunkt war das Terahertz‑elektrische Feld der Pulse resonant mit dem ersten optischen Phonon‑Modus des Materials.
In dieser neuesten Studie, die in Nature veröffentlicht wurde, bemerkte der leitende Autor Bonetti, dass es das erste Mal sei, dass sie klar zeigen konnten, wie das Material bei Raumtemperatur magnetisch wird.
Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team zudem, „magnetische Materialien aus vielen Isolatoren herzustellen, obwohl Magnete typischerweise aus Metallen bestehen“, fügte er hinzu.
Unterdessen wurde der Grad der durch die Lasertechnik induzierten Magnetisierung mittels eines etablierten Effekts gemessen, bei dem Licht je nach Magnetisierung eines Materials unterschiedlich reflektiert wird.
In ihrem Experiment zeigten die Messungen, dass das Material magnetisch geworden war. Allerdings war die Größe der induzierten Magnetisierung, basierend auf bekannten theoretischen Berechnungsmethoden, etwa vier Größenordnungen größer als erwartet. Dieser Unterschied wurde auf Vereinfachungen in den Berechnungen der Physiker zurückgeführt.
Eine weitere Forschergruppe nutzte kreis‑polarisiertes infrarotes Laserpulses, um vorübergehend einen magnetischen Effekt in einem nichtmagnetischen Material zu erzeugen.
Wissenschaftler der Radboud‑Universität (Niederlande) in Zusammenarbeit mit der Nihon‑Universität (Japan) führten dies durch, wobei sie anstelle konventioneller Breitband‑Pulse sehr schmale Band‑Pulse von den FELIX‑Freie‑Elektronen‑Lasern einsetzten, die es ermöglichten, bestimmte Gittervibrationen gezielt im Resonanzbereich anzusteuern. Sie nutzten die erzeugte Magnetisierung, um die Magnetisierung einer magnetischen Legierung zu schalten.
Laut diesen Forschern könnte die phononische Resonanz als neue und schnelle Methode zum Schreiben von Daten auf magnetische Medien verwendet werden. Durch die Änderung der Rotationsrichtung des kreis‑polarisierten Lichts konnte das Team zudem die Magnetisierungsrichtung umkehren.
Der wachsende Einsatz von Laserlicht
Der Einsatz von Laserlicht wächst rasant. Erst diese Woche haben Wissenschaftler eine neue Entdeckung gemacht: Ein konzentrierter Laserstrahl kann den magnetischen Zustand eines festen Materials ändern und damit enormes Potenzial für ultrafast‑Computerspeicher aufzeigen.
Dafür entwickelten die Wissenschaftler eine neue „elementare“ Gleichung, die den Zusammenhang zwischen Frequenz und Amplitude des magnetischen Feldes des Lichts und den Energieabsorptions‑Eigenschaften eines magnetischen Materials beschreibt. Laut Amir Capua, Physikprofessor an der Hebräischen Universität Jerusalem:
„Sie ermöglicht es uns, die optische Magnetaufzeichnung vollständig neu zu überdenken und zu einem dichten, energie‑ und kosten‑effizienten optischen Magnet‑Speichergerät zu navigieren, das es noch nicht gibt.“
Diese Technologie dürfte künftig zu schnelleren und effizienteren MRAM‑Komponenten führen.
Der globale Markt für Lasertechnologie wird tatsächlich auf 29,5 Mrd. $ bis zum Ende des Jahrzehnts wachsen, von der aktuellen Bewertung von 20 Mrd. $. Diese Zahlen resultieren aus dem breiten Potenzial von Lasern in verschiedenen Industrien.
Ein Laser ist ein optisches Gerät, das einen Lichtstrahl erzeugt, indem es die Emission von Strahlung stimuliert. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften dieses Lichts – hohe Intensität, Kohärenz, Monochromatizität und Richtungsbestimmtheit – werden Laser in Medizin, Kommunikation, Wissenschaft, Militär und vielen weiteren Bereichen eingesetzt. Infolgedessen entstehen zahlreiche Erfindungen und Experimente im Laser‑Bereich.
Kürzlich haben Wissenschaftler in Rumänien den weltweit leistungsstärksten Laser erzeugt, dessen Leistung ein Zehntel der Sonnenleistung beträgt, die die Erde erreicht. Der Laser, installiert in einem Zentrum nahe Bukarest und betrieben von der französischen Firma Thales, soll eine Ausgangsleistung von 10 Petawatt (10 Billiarden Watt) haben. Der Spitzenwert wurde nur für einen extrem kurzen Zeitraum von etwa 25 Femtosekunden und über eine Breite von nur drei Mikrometern erreicht.
Die Wissenschaftler hoffen, dass der Laser zu revolutionären Fortschritten in Bereichen von Gesundheit bis Weltraum führen wird. Diese Erfindung kann zur Behandlung von nuklearem Abfall und zur Beseitigung von Weltraumschrott eingesetzt werden.
In einer weiteren aktuellen Forschung haben RIKEN‑Physiker sehr kurze Laserpulse realisiert, die eine Spitzenleistung von 6 Billionen Watt besitzen – das entspricht der Leistung von 6 000 Kernkraftwerken. Dieses Ergebnis soll die Entwicklung von Attosekunden‑Lasern unterstützen, die das Studium von Elektronen ermöglichen.
Im vergangenen Jahr wurden Anne L’Huillier, Pierre Agostini und Ferenc Krausz mit dem Nobelpreis für Physik für ihre Forschung zu Attosekunden‑Lichtpulsen (ein Quintillionstel einer Sekunde) ausgezeichnet.
Diese ultrakurzen Laserpulse können extrem schnelle Prozesse beleuchten und Wissenschaftlern ein leistungsstarkes Mittel zum Erfassen und Untersuchen dieser Prozesse bieten.
„Indem sie die Bewegung von Elektronen erfassbar machen, haben Attosekunden‑Laser einen bedeutenden Beitrag zur Grundlagenforschung geleistet.“
– Eiji Takahashi vom RIKEN Center for Advanced Photonics
Man erwartet, dass sie zur Diagnose medizinischer Zustände, zur Beobachtung biologischer Zellen und zur Entwicklung neuer Materialien eingesetzt werden.
Zukünftiges Potenzial des laserinduzierten Magnetismus
Gefördert durch einen ERC‑Synergy‑Grant und die Knut‑und‑Alice‑Wallenberg‑Stiftung, stellte die Studie, die nichtmagnetische Materialien bei Raumtemperatur magnetisch machte, fest, dass in der Physik die kollektive Ordnung einer Materie eines der grundlegendsten und faszinierendsten Phänomene ist und dass der Begriff „dynamische Multiferroizität“ eingeführt wurde, um das Auftreten von Magnetisierung zu beschreiben.
„Einfach ausgedrückt induziert die kohärente Rotationsbewegung der Ionen in einem Kristall ein magnetisches Moment entlang der Rotationsachse“, hieß es.
Durch diesen Mechanismus konnte das Team Magnetisierung im archetypischen paraelektrischen Perowskit SrTiO₃ demonstrieren. Diese Ergebnisse wurden bereits in mehreren anderen Laboren reproduziert.
Allerdings blieb das Magnetfeld des Materials nur etwa ein Billionstel einer Sekunde erhalten, was noch nicht ausreicht, um in Computerspeichern Anwendung zu finden.
Dennoch ist dies ein großartiger Ausgangspunkt, an dem Wissenschaftler endlich Theorie in Praxis umsetzen konnten. Dies birgt wichtige potenzielle technologische Anwendungen, die mit weiterer Forschung im Laufe der Zeit realisiert werden.
Die Experimentergebnisse zeigen laut der Forschung einen neuen Weg zur Kontrolle von Magnetismus. Dieser könnte beispielsweise für extrem schnelle magnetische Schalter genutzt werden, indem man die Gittervibrationen kohärent mit Licht steuert.
Obwohl diese Studie mit Strontiumtitanat begann, können in Zukunft komplexere Materialien untersucht werden, die ihr Magnetfeld über längere Zeiträume aufrechterhalten könnten. Von hier aus führt nur der Weg nach vorne zu weiteren spannenden Entdeckungen, die die Tür zur Nutzung in Rechengeräten öffnen.
Wie der Studienautor Alexander Balatsky, Professor für Physik am NORDITA, erklärte:
„Dies kann für schnellere Informationsübertragung und deutlich bessere Datenspeicherung genutzt werden und für Computer, die wesentlich schneller und energieeffizienter sind.“
Während die Ergebnisse vielversprechend sind und zu großen Verbesserungen in der Elektronik und im Computing führen können, die auf Magnetisierung basieren, ist weitere Arbeit nötig.
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