In Zusammenarbeit mit einem deutschen Team haben Wissenschaftler der EPFL nachgewiesen, dass die spiralförmige Geometrie winziger, verdrillter Magnetröhren die Übertragung von Daten durch Quasiteilchen, sogenannte Magnonen, statt durch Elektronen ermöglichen kann.
Die Magnonik, ein aufstrebender Teilbereich der Ingenieurwissenschaften, befasst sich mit der Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungscodierung von Informationen bei gleichzeitiger Begrenzung des Energieverlusts, unter dem die Elektronik leidet. Dieser Energieverlust entsteht, wenn Elektronen, die sich in einem Schaltkreis bewegen, Wärme erzeugen. Bei magnonischen Systemen hingegen fliessen keine Elektronen.
Stattdessen wird an einen Magneten ein externes Magnetfeld angelegt, das die magnetische Orientierung (oder den "Spin") der Elektronen im Magneten stört. Diese Störung erzeugt eine massgeschneiderte kollektive Erregung namens Spinwelle (Magnon), die sich im Magneten ausbreitet - wie eine Welle auf einem Teich -, während die Elektronen sich nicht bewegen.
Trotz dieses Vorteils bleiben 3D-Magnonensysteme weitgehend experimentell, da ihr Betrieb in der Regel starke Magnetfelder oder extrem niedrige (kryogene) Temperaturen erfordert, was sie mit herkömmlichen Geräten inkompatibel macht.
Eine binäre Codierung der Information
Wissenschaftler des Labors für nanostrukturierte magnetische Materialien und Magnonik ( LMGN ) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL haben nun einen entscheidenden Schritt in Richtung einer konkreten Anwendung der Magnonik getan. Sie haben die Notwendigkeit extremer Temperaturen beseitigt und gleichzeitig eine dreidimensionale Herstellungsmethode vorgeschlagen. Durch das physikalische Verdrehen von Nanoröhren aus ferromagnetischem Nickel induzierte das Team eine besondere Eigenschaft namens Chiralität, bei der sich die Symmetrie eines Objekts von der seines Spiegelbilds unterscheidet. Diese Asymmetrie führte dazu, dass die Magnonen nur in einer Richtung entlang der Röhrenachse zirkulierten. Dies ebnet den Weg für eine binäre Informationskodierung und die Übertragung von Signalen auf einem Chip. Beispielsweise könnte das Magnonenflussmuster "rechts" von der spiralförmigen Verdrehung die 0 darstellen, während das "links" die 1 darstellen könnte.
Für Dirk Grundler, den Leiter des LMGN, führt diese technische Meisterleistung auch zur Schaffung einer Diode, einem Schlüsselelement der elektronischen Technologien, das Signale nur in eine Richtung leitet. "Einfach ausgedrückt haben wir eine 3D-Diode für Magnonen geschaffen, die gleichzeitig bei Raumtemperatur Daten codieren kann", erklärt er. Die Forschung wurde in Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Wir sind die einzige Gruppe auf der Welt, die diese Strukturen aus Nickel herstellen kann, das von Natur aus keine chiralen Eigenschaften besitzt. Daher "drucken" wir die Chiralität allein mithilfe der 3D-Geometrie.
Axel Deenen, Forscher am LMGN.
Vollständig kompatibel und in Serie produzierbar
Bei dem von Huixin Guo und Mingran Xu, einem ehemaligen Forscher am LMGN, eingeführten Nano-Engineering-Verfahren wird ein verdrillter Polymerstab in 3D gedruckt und mit einer sehr dünnen Nickelschicht überzogen.
Während einige Materialien bei kryogenen Temperaturen spontan chirale Eigenschaften aufweisen, konnten die Wissenschaftler der EPFL mit Hilfe von Röntgenbildgebungsspezialisten des Max-Planck-Instituts für chemische Physik fester Stoffe und des Synchrotrons BESSY II in Deutschland zeigen, dass ihr auf Geometrie basierender Ansatz einen viel stärkeren chiralen Effekt erzeugte als jedes natürliche Material. Simulationen und theoretische Berechnungen legen nahe, dass eine weitere Verkleinerung der Röhren und eine Veränderung ihrer spiralförmigen Krümmung einen noch stärkeren Effekt erzeugen könnten.
"Wir sind die einzige Gruppe auf der Welt, die diese Strukturen aus Nickel herstellen kann, das von Natur aus keine chiralen Eigenschaften besitzt. Daher "drucken" wir die Chiralität allein mithilfe der 3D-Geometrie", fasst Axel Deenen, Forscher am LMGN, zusammen.
Ihr Herstellungsverfahren, das zur Massenproduktion ferromagnetischer Röhren verwendet werden kann, ist vollständig kompatibel mit der in der Mikroelektronikindustrie verwendeten Chiptechnologie - es sind keine starken Magnetfelder, speziellen Materialien oder extremen Temperaturen erforderlich. Zwar wird anfangs ein Magnetfeld verwendet, um die Röhren und die Spinwellen zu "programmieren", doch wird die magnonische Information anschliessend ohne jegliche bewegliche Ladung gespeichert, was sie zu einem stabilen und nicht flüchtigen Codierungsverfahren macht.
Dirk Grundler fügt hinzu, dass diese Arbeit in der Zukunft die Einführung der Magnonentechnologie als Motor für neuromorphes, d. h. vom Gehirn inspiriertes Computing für künstliche Intelligenz erleichtern könnte. "Hardwarebasiertes neuromorphes Computing ist für die Optimierung von KI-Anwendungen von entscheidender Bedeutung, aber wie beim Gehirn macht es nur bei 3D- und energiesparenden Architekturen Sinn. Unsere Technologie ist nun bereit, diese Anforderungen zu erfüllen"
ReferenzenXu, M., Deenen, A.J.M., Guo, H. et al. Geometry-induced spin chirality in a non-chiral ferromagnet at zero field. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-025-02055-3
