Beschreibung
Eines der wichtigsten und vielversprechendsten Nebenprodukte der Forschung über die Quanteneigenschaften der Materie ist die Spintronik, ein Bereich, der sich mit der Entwicklung leistungsstarker elektronischer Geräte mit geringem Stromverbrauch befasst, die in der Lage sind, die magnetische Ausrichtung zu nutzen, die in einem Material aufgrund der Spin-Ausrichtung seiner Elektronen entsteht. Eine Studie, die von einer Forschergruppe des Bose-Einstein-Kondensationszentrums (BEC) in Trient durchgeführt und in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht wurde, wirft nun ein Licht auf einige Quantenmechanismen, die diesem magnetischen Verhalten zugrunde liegen, sowie auf ihre Entwicklung im Laufe der Zeit.
Das Ergebnis wurde dank der Zusammenarbeit zwischen dem Nationalen Institut für Optik des Nationalen Forschungsrats (CNR-Ino), dem Fachbereich Physik der Universität Trient und dem Institut für Grundlagen- und angewandte Physik des Nationalen Instituts für Kernphysik (Tifpa-Infn) im Rahmen der Initiative Quantum at Trento (Q@TN) erzielt, haben die Forscher ein aus Natriumatomen bestehendes Gas auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und in einen Quantenzustand versetzt, der in der Lage ist, die Grenzfläche zwischen zwei magnetischen Materialien zu simulieren, deren Eigenschaften durch eine unterschiedliche Spinausrichtung gekennzeichnet sind, eine Situation, die derjenigen in den heute verwendeten Speichergeräten, den Festplatten, entspricht.
Die Abkühlung des Gases auf nahezu den absoluten Nullpunkt - die Temperatur, bei der die Atome aufhören, sich wie einzelne Teilchen zu verhalten, und ein einziges makroskopisches Quantensystem bilden, das als Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet wird - ermöglicht es, die mit der Natur von Gasen bei Raumtemperatur verbundenen Grenzen zu überwinden. "Durch den Einsatz von Laser- und Mikrowellenstrahlen können Atome äußerst präzise manipuliert und in einen bestimmten Quantenzustand versetzt werden, der die Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen magnetischen Materialien imitieren kann. Auf der einen Seite der Grenzfläche sind die Spins alle entlang einer Eigenrichtung des Materials ausgerichtet, auf der anderen Seite drehen sie sich um die Richtung des angelegten Feldes", erklären Gabriele Ferrari (Unitn) und Alessio Recati (CNR-Ino).
In normalen magnetischen Materialien orientiert sich der Elektronenspin normalerweise entlang der Richtung des angelegten Magnetfeldes, während er sich in Materialien mit starker magnetischer Anisotropie schnell entlang einer bestimmten Richtung orientiert, auch wenn ein äußeres Magnetfeld vorhanden ist. Die beiden unterschiedlichen Materialtypen können nebeneinander angeordnet werden, wodurch eine Schnittstelle entsteht, die eine klare Diskontinuität zwischen den beiden unterschiedlichen Verhaltensweisen darstellt, und das System erreicht schnell eine Gleichgewichtskonfiguration. In der im Trentiner Laboratorium realisierten Probe findet die Entspannung in Richtung Gleichgewicht aufgrund der supraflüssigen Natur und der besonderen interatomaren Bindungen, die Bose-Einstein-Kondensate charakterisieren, über einen längeren Zeitraum statt, was die Möglichkeit bietet, ihre Entwicklung im Laufe der Zeit direkt zu beobachten.
"Dadurch konnte eine neue Art von magnetischen Wellen identifiziert werden, die durch die Spintorsion erzeugt werden. Diese Wellen breiten sich ohne Reibung innerhalb der Atomwolke aus und zerstören die Grenzfläche, an der sie entstanden sind", erklären Giacomo Lamporesi und Alessandro Zenesini vom CNR-Ino. Diese Beobachtung, die das Ergebnis einer Synergie zwischen den von der Europäischen Union, dem Infn und der Autonomen Provinz Trient finanzierten Projekten ist, krönt die jahrelange Forschung des Labors des BEC-Zentrums von Trient im Bereich der Systeme außerhalb des Gleichgewichts und öffnet den Weg für künftige Forschungen zur Simulation magnetischer Materialien unter bisher nicht beobachteten Bedingungen, die für das Verständnis der Pionierphänomene der Spintronik nützlich sind. Dank der Universalität dieser Mechanismen, die über die Welt der magnetischen Materialien hinausgehen, stellt dieses Ergebnis auch einen ersten Schritt zur Simulation von Phänomenen dar, die normalerweise in der subnuklearen Physik und der Astrophysik untersucht werden.