Magnetische Würmer für Kommunikationssysteme im Nanobereich

Hochfrequente elektromagnetische Wellen werden zur Übertragung und Verarbeitung von Informationen in mikroelektronischen Geräten wie Smartphones verwendet. Es wird vermutet, dass diese Wellen mit Hilfe von magnetischen Schwingungen, sogenannten Spinwellen oder Magnonen, komprimiert werden können. Diese Kompression könnte den Weg für das Design von nanoskaligen, multifunktionalen Mikrowellengeräten mit erheblich reduziertem Platzbedarf ebnen. Doch zunächst müssen Forschende ein besseres Verständnis der Spinwellen gewinnen – oder genau verstehen, wie sich Magnonen in verschiedenen Strukturen verhalten und ausbreiten.

Mehr über aperiodische Strukturen erfahren

In einer Studie, die vom Doktoranden Sho Watanabe, dem Postdoc Dr. Vinayak Bhat und weiteren Teammitgliedern durchgeführt wurde, untersuchten Wissenschaftler des Labors für nanoskalige magnetische Materialien und Magnonik (LMGN) der EPFL, wie sich elektromagnetische Wellen in präzise konstruierten Nanostrukturen, so genannten künstlichen ferromagnetischen Quasikristallen, ausbreiten und wie sie manipuliert werden können. Die Quasikristalle haben eine einzigartige Eigenschaft: Ihre Struktur ist aperiodisch, was bedeutet, dass die Atome oder massgeschneiderten Elemente, aus denen sie bestehen, nicht einem regelmässigen, sich wiederholenden Muster folgen, sondern immer noch deterministisch angeordnet sind. Obwohl diese Eigenschaft die Materialien für das Design von Alltags- und Hightech-Geräten besonders nützlich macht, ist noch wenig über sie bekannt.

Schnellere und einfachere Übertragung von Informationen

Das LMGN-Team fand heraus, dass unter kontrollierten Bedingungen eine einzelne elektromagnetische Welle, die an einen künstlichen Quasikristall gekoppelt wird, sich in mehrere Spinwellen aufspaltet, die sich dann innerhalb der Struktur ausbreiten. Jede dieser Spinwellen repräsentiert eine andere Phase der ursprünglichen elektromagnetischen Welle und trägt unterschiedliche Informationen. «Das ist eine sehr interessante Entdeckung, denn die bestehenden Methoden der Informationsübertragung folgen dem gleichen Prinzip», sagt Dirk Grundler, ausserordentlicher Professor an der School of Engineering (STI) der EPFL. «Ausser dass man ein zusätzliches Gerät, einen Multiplexer, braucht, um das Eingangssignal aufzuteilen, weil es sich – anders als in unserer Studie – nicht von selbst teilt.»

Grundler erklärt auch, dass in herkömmlichen Systemen die in jeder Welle enthaltene Information nur bei unterschiedlichen Frequenzen gelesen werden kann – eine weitere Unannehmlichkeit, die das EPFL-Team in seiner Studie überwunden hat. «In unseren zweidimensionalen Quasikristallen können alle Wellen mit derselben Frequenz gelesen werden», fügt er hinzu. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Advanced Functional Materials publiziert.

Wellen, die sich wie Würmer ausbreiten

Die Forschenden beobachteten auch, dass sich die Wellen nicht zufällig ausbreiten, sondern sich oft wie sogenannte Conway-Würmer bewegen, benannt nach dem bekannten Mathematiker John Horton Conway, der auch ein Modell zur Beschreibung des Verhaltens und der Fressmuster prähistorischer Würmer entwickelt hat. Conway entdeckte, dass sich innerhalb zweidimensionaler Quasikristalle die konstituierenden Elemente wie mäandernde Würmer anordnen, die einer Fibonacci-Folge folgen. Dadurch bilden sie ausgewählte eindimensionale Quasikristalle. «Unsere Studie stellt die erste praktische Demonstration dieses theoretischen Konzepts dar und beweist, dass die Sequenzen interessante funktionelle Eigenschaften von Wellen in einem Quasikristall induzieren», sagt Grundler.