Dresdner Team entdeckt überraschende Schwingungszustände in Magnetwirbeln

Forschende am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben in winzigen Magnetwirbeln neue, bislang unbeobachtete Schwingungszustände entdeckt – sogenannte Floquet-Zustände. Anders als in früheren Experimenten, die dafür energieaufwendige Laserpulse benötigten, reicht in Dresden dafür eine winzige Anregung mit magnetischen Wellen. Das eröffnet nicht nur spannende Fragen für die Grundlagenphysik, sondern könnte eines Tages als eine Art Universaladapter zwischen Elektronik, Spintronik und Quantenbauteilen dienen.

Magnetische Wirbel können sich in hauchdünnen, mikrometergroßen Scheiben aus einem Magnetmaterial bilden, zum Beispiel Nickel-Eisen. Bei diesen Wirbeln ordnen sich die Elementarmagnete – winzige Kompassnadeln – kreisförmig an. Durch einen Anstoß von außen können Wellen entstehen, die sich wie eine La-Ola-Bewegung durchs Stadion fortpflanzen: Jede Kompassnadel kippt ein Stückchen und gibt den Impuls an die nächsten weiter. Fachleute bezeichnen diese kollektiven Wellenbewegungen als Magnonen. Diese Magnonen können Information durch den Magneten tragen, ohne dass Ladung fließt, so Projektleiter Dr. Helmut Schultheiß vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR. Das macht sie für die Forschung an neuartigen Computertechnologien interessant.

Vor einiger Zeit experimentierte sein Team an besonders kleinen Magnetscheiben, indem es deren Durchmesser von einigen Mikrometern auf wenige Hundert Nanometer reduzierte. Damit wollte die Gruppe herausfinden, inwieweit sich unterschiedlich große Scheiben für das sogenannte neuromorphe Rechnen nutzen lassen, ein neuartiges Computerkonzept. Doch bei der Auswertung der Daten fiel den Forschenden auf, dass bei manchen Scheiben das gemessene Spektrum nicht nur eine einzige Resonanzlinie zeigte, sondern eine ganze Reihe fein aufgeteilter Linien – ein regelrechter Frequenzkamm. Zuerst dachten wir, es sei ein Messartefakt oder irgendein Störimpuls. Doch als wir den Versuch wiederholten, trat der Effekt wieder auf. Damit war klar: Da steckt etwas Neues dahinter!

Rotierender Wirbelkern

Die Erklärung des Phänomens fand sich in einer Theorie des französischen Mathematikers Gaston Floquet. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts hatte er gezeigt, dass Systeme, die rhythmisch angestoßen werden, neue Zustände bilden können: Wird das System regelmäßig angeschubst, entstehen zusätzliche Schwingungen, die es im Ruhezustand nicht gibt. Bisher ließen sich solche Floquet-Zustände zumeist nur mit starken Laserpulsen erzeugen, verbunden mit hohem Energieaufwand. Doch das Dresdner Team fand heraus, dass sie in magnetischen Wirbeln quasi von allein entstehen – vorausgesetzt, die Magnonen werden stark genug anregt. Dann nämlich geben sie einen Teil ihrer Energie an den Wirbelkern weiter. Der beginnt daraufhin, eine kleine Kreisbewegung um sein Zentrum zu vollführen. Diese winzige Bewegung genügt, um den magnetischen Zustand rhythmisch zu modulieren.

In den Messungen machte sich das als Frequenzkamm bemerkbar: Statt einer einzelnen klaren Resonanz tauchte ein ganzes Bündel regelmäßig verteilter Linien auf – so, als würde ein einzelner Ton plötzlich in viele harmonische Teiltöne zerfallen. Wir waren verblüfft, dass eine so kleine Bewegung des Kerns genügt, um das uns wohlbekannte Spektrum der Magnonen in eine ganze Reihe neuer Zustände aufzuspalten, so Schultheiß.

Mit Mikrowatt zum Frequenzkamm

Das Besondere: Der Prozess lässt sich mit wenig Energie in Gang bringen. Wo anderswo leistungsstarke Laserpulse benötigt werden, reichen hier Mikrowattleistungen – ein winziger Bruchteil dessen, was ein Handy im Standby-Modus braucht. Dieser Umstand verspricht interessante Perspektiven. Beispielsweise könnten solche Frequenzkämme helfen, unterschiedliche Systeme besser aufeinander abzustimmen – etwa, wenn man ultraschnelle Terahertz-Phänomene mit klassischer Elektronik oder Quantenbauteilen verknüpfen will. Wir nennen das den Universaladapter, so der Forscher. So wie sich mit einem USB-Adapter Geräte mit verschiedenen Anschlüssen miteinander verbinden lassen, könnten Floquet-Magnonen Frequenzen zusammenbringen, die sonst nicht zueinander passen.

Für die Zukunft hat das Team bereits Pläne. Es will testen, ob sich das Prinzip auch auf andere magnetische Strukturen anwenden lässt. Auch für die Entwicklung neuer Computertechnologien könnte der Effekt bedeutsam werden, da sich damit Magnonen-Signale leichter mit elektronischen Schaltungen oder Quantensystemen koppeln lassen. Zum einem eröffnet die Entdeckung neue Wege, grundlegende Fragen des Magnetismus zu beantworten. Zum anderen könnte sie irgendwann helfen, die Welt der Elektronik, der Spintronik und der Quanteninformationstechnologie besser miteinander zu verbinden.

Bei allen Messungen der Magnetwirbel und der Auswertung von Daten verschiedener Messgeräte wurde das am HZDR entwickelte Programm Labmule genutzt, das als Lab-Automation-Tool angeboten wird.

Publikation: C. Heins, L. Körber, J.-V. Kim, T. Devolder, J.H. Mentink, A. Kákay, J. Fassbender, K. Schultheiss, H. Schultheiss: Self-induced Floquet magnons in magnetic vortices, in Science, 2026 (DOI: 10.1126/science.adq9891).

https://www.hzdr.de