Röntgenlicht deckt Wechselspiel von Quasiteilchen im Festkörper auf

Die heutige Computertechnik auf Basis von Siliziumchips stösst zunehmend an physikalische Grenzen. Die Bauteile lassen sich nicht beliebig weiter miniaturisieren und die Taktraten nicht immer weiter beschleunigen. Zugleich werden vielerorts riesige KI-Rechenzentren gebaut, die einen immensen Strombedarf haben. Deshalb suchen weltweit Wissenschaftler nach neuartigen Materialien, welche die Siliziumtechnik ersetzen oder ergänzen und die einen wesentlich geringeren Strombedarf aufweisen. Ein Forschungsteam des PSI hat nun das rasante Wechselspiel verschiedener Arten von Anregungen – elektronische, magnetische und Gitteranregungen – in einem solchen Material detailliert aufschlüsseln können.

Von Elektronen zu Spinwellen

Die Computertechnik der Zukunft könnte sehr viel effizienter und schneller werden, wenn es gelänge, die schnellen Umklappbewegungen der Elektronenspins in Festkörpern gut zu steuern und damit winzige logische Bausteine wie Transistoren zu bauen. Bei heutigen Computerchips fliessen die Elektronen durch das Material, was für Stromverluste und Abwärme sorgt. Wenn stattdessen die Elektronen stillstehen und man nur ihre Spins manipuliert, dann lassen sich Spinwellen anregen, die Informationen transportieren – so wie bei einer La-Ola-Welle im Fussballstadion: Nicht die Menschen wandern durch das Stadion, sondern alle reissen der Reihe nach die Arme hoch. Dieses Gebiet wird deshalb auch Spintronik genannt – von «Spin» und «Elektronik». Hierbei nutzt man winzige magnetische Anregungen, die auch Magnonen genannt werden. Denn die Spins sind wie atomare Kompassnadeln mit einem Magnetfeld verknüpft, worüber sie sich anregen und auch auslesen lassen.

«Wir haben nun die Dynamik dieser Anregungen untersucht und dabei in unübertroffenem Detailreichtum sichtbar machen können, was dabei alles auf mikroskopischer Ebene im Material passiert», sagt Hiroki Ueda, der das Projekt am Paul Scherrer Institut geleitet hat. Denn bislang liessen sich zwar verschiedene Aspekte untersuchen, wie sich solche Spinwellen im Material verhalten. Aber es liess sich kein zusammenhängendes Bild gewinnen, da die verschiedenen Analysetechniken immer nur einen Teil der mikroskopischen Phänomene einfangen konnten. «Uns interessiert dabei vor allem der Zusammenhang der verschiedenen Anregungen im Material», erklärt Ueda.

Neben den Magnonen spielen auch die Schwingungen der Atome im Kristallgitter, die sogenannten Phononen, eine wichtige Rolle. Man nennt Magnonen und Phononen auch «Quasiteilchen», weil sie zwar keine echten Teilchen sind – wie Atome, Elektronen oder Lichtteilchen –, weil sie aber nach den Gesetzen der Quantenphysik trotzdem als einzelne Entitäten eine bestimmte Energie und einen bestimmten Impuls aufweisen können – genau wie Teilchen.

Magnonen leben lange in der Quantenwelt

Um diese Phänomene sichtbar zu machen, mussten die Forschenden zunächst Magnonen erzeugen. Dazu schossen sie einen intensiven, kurzen, optischen Laserstrahl auf eine Materialprobe. «Wir haben Kupferoxid gewählt, weil es als Material mit starker Wechselwirkung zwischen Magnetismus und Gitterschwingungen bekannt ist», sagt Arnau Romaguera vom Zentrum für Photonenforschung am PSI, Erstautor der neuen Studie. Der Laserpuls regte zunächst die Elektronen im Material an, was auch die anfangs noch ungeordneten Spins reihenweise umklappen liess und dadurch Magnonen erzeugte. Dies geschah blitzschnell, innerhalb von Femtosekunden (Billiardstelsekunden).

Die optisch angeregten Magnonen streuten dann aneinander und bildeten einen Zustand mit ungleichmässigen Wellen – wie raue See. Das geschah im Bereich von Pikosekunden (Billionstelsekunden). Nochmals drei zeitliche Grössenordnungen später, im Bereich von Nanosekunden (Milliardstelsekunden), wechselwirkten die Magnonen dann mit den Atomen im Kristallgitter und wandelten ihre Energie in Phononen – also quantisierte Gitterschwingungen – um.

Das Interessante an diesen Ergebnissen ist, dass die Magnonen sehr langlebig sind, bevor sie sich in Phononen umwandeln. Nach menschlichen Massstäben sind zwar all diese Zeitskalen extrem kurz. In der Mikrowelt erstrecken sie sich aber über viele Grössenskalen.

Romaguera sagt: «Angesichts der starken Kopplung zwischen dem Magnetismus und dem Gitter des Kupferoxids waren wir überrascht, wie lange es dauerte, bis die erzeugten Magnonen schliesslich ihre Energie an das Gitter abgaben.» Die vergleichsweise lange Lebensdauer der Magnonen könnte somit einen hinreichend langen Zeitraum bieten, um kontrollierte logische Operationen durchzuführen. «Die Magnonen und Phononen weisen sehr unterschiedliche Beziehungen zwischen ihren Impuls- und Energiewerten auf», erklärt Ueda. «Dies beeinflusst die Effizienz, mit der Magnonen ihre Energie an das Gitter übertragen können, was einerseits zur langen Lebensdauer der Magnonen führt und andererseits uns wichtige Erkenntnisse darüber liefert, wie wir mithilfe speziell entwickelter Materialien die Lebensdauer der Magnonen nach Wunsch anpassen können.»

Der Dynamik von Femto- bis zu Nanosekunden folgen

Die Kunst bei diesen Experimenten bestand darin, all diese verschiedenen Phänomene über solche unterschiedlichen Zeitskalen überhaupt sichtbar zu machen. «Wir haben dazu mehrere verschiedene Röntgentechniken genutzt», sagt Romaguera. «Sie alle haben gemein, dass man einen hochbrillanten Röntgenlaserpuls aus einem Freie-Elektronen-Laser kurz nach dem normalen Laserpuls, der die Magnonen erzeugt, auf die Probe schiesst.» Man nennt dies auch Anrege-Abfrage-Technik. Indem sie den Zeitabstand zwischen den beiden Impulsen schrittweise variierten, konnten die Forschenden das Geschehen im Material zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Anregung untersuchen. So konnten sie aufeinanderfolgende Schnappschüsse der mikroskopischen Vorgänge machen. Neben zwei etablierten Röntgentechniken hat das Forscherteam sogar eine neuartige Röntgentechnik erstmals eingesetzt, das sogenannte «time-resolved resonant diffused scattering». Diese Messungen wurden an der Furka-Experimentierstation des SwissFEL (FEL für Freie-Elektronen-Laser) am PSI durchgeführt. Weitere Messungen machte das Team am ESRF-Synchrotron in Grenoble, Frankreich. Ergänzt wurde das Ganze durch quantenkinetische Simulationen, um den gemessenen Energiefluss modellieren zu können.

«Unsere Messungen sind weitgehend konsistent mit den theoretischen Berechnungen», erklärt Ueda. Das zeigt, dass die grundlegenden Theorien gut verstanden sind, auch wenn man sie an die Strukturen in jedem Material anpassen muss. Damit rückt die Elektronik der Zukunft, die Spintronik, wieder einen Schritt näher an die Anwendung.

Text: Dirk Eidemüller

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI ist das grösste Forschungsinstitut für Natur- und Ingenieurwissenschaften der Schweiz. Es ist der zentrale Standort der Schweizer Grossforschungsanlagen, die für Wissenschaft und Industrie zur Verfügung stehen. Die eigene Forschung umfasst Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Das Jahresbudget beträgt CHF 450 Millionen. 2300 Menschen sind am PSI angestellt; davon sind rund ein Viertel Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die weiteren bundeseigenen Forschungsinstitute Empa, Eawag und WSL.

Kontakt

Dr. Hiroki Ueda
PSI Center for Photon Science
Paul Scherrer Institut PSI
+41 56 310 34 90
hiroki.ueda@psi.ch
[Englisch]

Originalveröffentlichung

Hierarchical quasiparticle dynamics in antiferromagnets revealed by time- and momentum-resolved X-ray scattering
Arnau Romaguera et al.
Nature Communications, 29.09.2026 (online)
DOI: 10.1038/s41467-026-77964-5

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