Forschung Spinwellenleiter für energiesparende Informationsübertragung
25. August 2025
Forscherteam der Universitäten Heidelberg und Münster entwickelt neue Methode, um große Netzwerke mit komplexen Strukturen herzustellen
Auf der Suche nach energiesparenden Lösungen für KI-Hardware arbeitet die Quantenphysik an der Nutzung von Spinwellen. Damit lassen sich Informationen mit geringem Energieaufwand übertragen – sie könnten so einen Beitrag leisten, in künftigen Anwendungen den Energieverbrauch deutlich zu reduzieren. Mit einer neu entwickelten Methode ist es einem Team der Universitäten Heidelberg und Münster nun gelungen, Wellenleiter herzustellen, in denen sich Spinwellen besonders gut ausbreiten können. Damit konnten sie ein Spinwellen-Netzwerk mit den bis dahin größten und komplexesten Strukturen dieser Art realisieren, so Prof. Dr. Wolfram Pernice vom Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg.
Als Spin wird der Eigendrehimpuls von Elektronen bezeichnet: Dieser Elektronenspin ist eine quantenmechanische Eigenschaft und lässt sich als eine Drehung um die eigene Achse beschreiben. Durch die Drehbewegung erzeugen die Elektronen ein magnetisches Feld um sie herum, das mithilfe von Energie – etwa mithilfe einer Wechselstrom-Antenne – verändert werden kann. Reagieren benachbarte Elektronen auf die Änderung des Magnetfelds, entsteht eine Spinwelle. Sie kann für die Übertragung von Informationen genutzt werden – mit geringem Energieverbrauch, da die Elektronen selbst nicht bewegt werden müssen, erklärt Dr. Shabnam Taheriniya, die in der Arbeitsgruppe von Prof. Pernice forscht.
Bislang wurden mit Spinwellen einzelne Bauelemente realisiert, etwa simple Logikgatter, die binäre Eingangs- zu binären Ausgangssignalen verarbeiten, ohne sie zu einer größeren Schaltung zu verbinden. Dass bislang keine größeren Netzwerke wie in der Elektronik realisiert wurden, liegt unter anderem an der starken Dämpfung der Spinwellen in den Wellenleitern, die die einzelnen Schaltelemente verbinden. Die Wissenschaftler aus Münster und Heidelberg haben nun eine neue Methode entwickelt, mit der sie ein komplexes Netzwerk mit 198 Kreuzungen erstellen konnten.
Die Forscherinnen und Forscher nutzen dazu Yttrium-Eisen-Granat. Dieses Material – eine künstlich hergestellte kristalline Verbindung – kann Spinwellen mit sehr geringer Dämpfung übertragen. Die Wellenleiter wurden mit einem Silizium-Ionenstrahl direkt in einen 110 Nanometer dünnen Film geschrieben. Auf diesem Weg lassen sich komplexe Strukturen von hoher Qualität flexibel und reproduzierbar herstellen, wie Prof. Pernice erläutert. Zudem ist es dem Team der Universitäten Münster und Heidelberg gelungen, die Eigenschaften der im Wellenleiter geführten Spinwelle gezielt zu kontrollieren, etwa die Wellenlänge oder die Reflexion der Spinwelle an einer Grenzfläche.
Wolfram Pernice ist seit 2021 Professor für Experimentalphysik an der Universität Heidelberg und leitet am Kirchhoff-Institut für Physik die Arbeitsgruppe „Neuromorphic Quantumphotonics“, zuvor hat er an der Universität Münster geforscht. Shabnam Taheriniya wurde im Jahr 2023 an der Universität Münster promoviert. Seit April 2023 arbeitet sie als Postdoktorandin in Heidelberg im Team von Prof. Pernice. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat die Arbeiten im Rahmen des an der Universität Münster angesiedelten Sonderforschungsbereichs „Intelligente Materie“ gefördert. Die Ergebnisse wurden in der in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.
Originalpublikation
J. Bensmann, R. Schmidt, K.O. Nikolaev, D. Raskhodchikov, S. Choudhary, R. Bhardwaj, S. Taheriniya, A. Varri, S. Niehues, A. El Kadri, J. Kern, W.H.P. Pernice, S.O. Demokritov, V.E. Demidov, S. Michaelis de Vasconcellos, R. Bratschitsch: Dispersion-tunable low-loss implanted spin-wave waveguides for large magnonic networks. Nature Materials (published online 9 July 2025)