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"Magnonen" beruhen auf einem magnetischen Phänomen in Kristallen, das durch den Eigendrehimpuls (Spin) der Elektronen verursacht wird. Die Spinachsen sind in vielen magnetischen Materialien parallel ausgerichtet. Wird eine dieser Spinachsen verschoben, etwa so, wie man einen rotierenden Kreisel durch Anstupsen zum Taumeln bringt, beeinflusst dies die Spins der Nachbarn. So entsteht eine Spinwelle, die sich durch den Kristall fortpflanzt. Ähnlich wie man einer elektromagnetischen Welle ein Quantenteilchen zuordnen kann (das Photon), gibt es auch für die Spinwelle ein entsprechendes Teilchen, das Magnon.
Vorteil der Magnonik ist, dass keine Elektronen durch Leiterbahnen wandern. Dadurch wird weniger Energie als bei der konventionellen Elektronik benötigt und es entsteht keine Wärme. Zudem lassen sich die Wellenlängen der Magnonen bis in den Nanometerbereich verkleinern, sodass magnonische Schaltkreise im Prinzip auf einen Chip passen könnten, der nicht größer ist als jene in heutigen Smartphones.
Darüber hinaus koppelt ein Magnon als Anregung eines Festkörpers auf natürliche Weise an zahlreiche andere fundamentale Quasiteilchen wie Phononen oder Photonen. Das wiederum macht sie zu einem idealen Baustein für hybride Quantensysteme und die Quantenmetrologie.
"Wir wollen in der aktuellen Phase unserer Forschung Zugang zur Quantennatur von Magnonen und zur Verschränkung (ein quantenphysikalisches Phänomen, bei dem zwei Teilchen auch über große Distanzen verbunden bleiben, Anm.) erhalten", erklärte Andrii Chumak von der Fakultät für Physik der Universität Wien gegenüber der APA. Ähnlich wie Physiknobelpreisträger Anton Zeilinger mit Photonen vorgegangen ist, wollen die Physiker um Chumak dies nun mit Magnonen tun.
Nachteile dieses Ansatzes sind allerdings die sehr aufwendige Entwicklung funktionsfähiger magnonischer Bauelemente und die kurze Lebensdauer der Magnonen von maximal einigen hundert Nanosekunden. Das ist viel zu kurz für jede praktische Quantenberechnung.
Dem internationalen Team unter Leitung Chumaks gelang es nun, diese Lebensdauer um das Hundertfache auf bis zu 18 Mikrosekunden zu verlängern - die Forschenden sprechen deshalb von einem "Durchbruch". Erreicht wurde dies einerseits durch die Anregung kurzwelliger Magnonen, die unempfindlich gegenüber Defekten im Kristall sind, die bisher die Lebensdauer der Wellen begrenzt hatten. Andererseits wurde das Material (Yttrium-Eisengranat) auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt (minus 273 Grad Celsius) gekühlt. So können thermische Prozesse die Magnonen kaum noch stören.
Zudem konnte das Forschungsteam zeigen, dass kein physikalisches Grundgesetz die Lebensdauer der Magnonen regelt. Vielmehr ist die Reinheit der Materialien das entscheidende Kriterium.
Nach Überzeugung der Forscherinnen und Forscher werden Magnonen dadurch zu langlebigen, zuverlässigen Trägern von Quanteninformation, vergleichbar mit supraleitenden Qubits, die in heutigen führenden Quantenprozessoren wie dem IBM Quantum Heron zum Einsatz kommen. Als robuste Quantenspeicher und verlustarme Kommunikationsverbindungen auf einem Chip könnten sie Hunderte von Qubits verbinden. Magnonen wären damit als "Quantenbus" ein bisher fehlender Baustein für skalierbare Quantencomputer.
(SERVICE - Link zur Studie: https://doi.org/10.1126/sciadv.aee2344 )
WIEN - ÖSTERREICH: FOTO: APA/Ian Ehm
