Mit starken magnetischen Wechselfeldern lässt sich eine neue Art von Spinwellen erzeugen, die bislang nur theoretisch vorhergesagt worden war. Gelungen ist das erstmals Physikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU). Im Fachjournal "Nature Communications" berichten sie über ihre Arbeit und liefern die ersten mikroskopischen Aufnahmen dieser Spinwellen.

Die Grundidee der sogenannten Spintronik ist es, eine besondere Eigenschaft von Elektronen - den Spin - für verschiedene elektronische Anwendungen nutzbar zu machen: zum Beispiel für die Speicher- und Informationstechnik. Der Spin ist eine Art Eigendrehimpuls von Elektronen, der ein magnetisches Moment bewirkt. Durch die Kopplung der magnetischen Momente entsteht der Magnetismus, der letztlich für die Informationsverarbeitung verwendet werden soll. Werden diese gekoppelten magnetischen Momente zum Beispiel durch einen Magnetfeldpuls lokal angeregt, so kann sich diese Dynamik wellenartig im Material ausbreiten. Man spricht von Spinwellen oder auch Magnonen.

Im Zentrum der neuen Arbeit der Physiker aus Halle stand eine spezielle Art dieser Wellen. Normalerweise entstehen bei der nicht-linearen Anregung von Magnonen ganzzahlige Vielfache der Ausgangsfrequenz - aus 1.000 Megahertz werden zum Beispiel 2.000 oder 3.000. "Bisher hatte man nur theoretisch vorhergesagt, dass sich Magnonen auch bei höheren halbzahligen Vielfachen der Anregungsfrequenz durch nicht-lineare Prozesse erzeugen lassen, sodass etwa die anderthalb- oder zweieinhalbfache Frequenz entsteht", sagt Prof. Dr. Georg Woltersdorf vom Institut für Physik der MLU. Das Team konnte nun experimentell zeigen, welche Bedingungen gegeben sein müssen, um diese Wellen zu erzeugen und auch deren Phase steuern zu können. Die Phase ist der Schwingungszustand einer Welle an einer bestimmten Stelle und zu einem bestimmten Zeitpunkt. "Wir sind die ersten, denen es gelungen ist, diese Anregungen experimentell zu bestätigen und sogar abzubilden", so Woltersdorf weiter.

Dass die Wellen in zwei stabilen Phasenzuständen erzeugt werden können, macht die Entdeckung dem Physiker zufolge auch für potenzielle Anwendungen in der Datenverarbeitung interessant, da beispielsweise Computer ebenfalls mit einem binären System arbeiten.

Mit Hilfe von mechanischem Druck lassen sich die elektrischen Eigenschaften eines weitverbreiteten Polymerwerkstoffs erheblich verbessern. Dafür ist es nötig, das Material bis auf wenige Nanometer genau zu bearbeiten, wie ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) im Fachjournal "Advanced Electronic Materials" schreibt. In ihrer neuen Studie zeigen die Forschenden, wie dieser bislang unbekannte physikalische Effekt funktioniert und wie er auch für neue Speichertechnologien nutzbar gemacht werden könnte. Außerdem ist es dem Team gelungen, das Wappen der Stadt Halle als elektrisches Muster mit 50 Nanometern Auflösung in das Material zu zeichnen.

Das Material Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ein beliebter Polymer-Kunststoff in der Industrie und kommt zum Beispiel bei der Herstellung von Dichtungen, Membranen oder Verpackungsfolien zum Einsatz. Es hat viele praktische Eigenschaften: Das Material ist dehnbar, biokompatibel und kann auch relativ kostengünstig hergestellt werden. "Bei PVDF handelt es sich zudem um ein ferroelektrisches Material. Das bedeutet, es besitzt räumlich getrennte positive und negative Ladungen. Diese kann man zum Beispiel für die Speichertechnik nutzen", sagt die Physikerin Prof. Dr. Kathrin Dörr von der MLU. Allerdings gibt es ein Problem: Bei PVDF handelt es sich um ein halb-kristallines Material, das anders als Kristalle über keine komplett geordnete Struktur verfügt. "In dem Material herrscht so viel Unordnung, dass einige der Eigenschaften, die man eigentlich nutzen will, wieder verloren gehen", so Dörr.

Durch Zufall entdeckte ihr Team, wie sich mit Hilfe der sogenannten Kraftmikroskopie eine gewisse elektrische Ordnung in dem Material herstellen lässt. Eigentlich wird bei dieser Methode eine Materialprobe mit einer nur wenige Nanometer großen Spitze abgefahren. Die Schwingungen, die dabei entstehen, können durch einen Laser gemessen und ausgewertet werden. "Damit lässt sich die Oberflächenstruktur eines Materials auf der Nanoebene analysieren", sagt Dörr. Mit Kraftmikroskopen ist es außerdem möglich, über die winzige Spitze Druck auf die Materialprobe auszuüben. Die Physikerinnen und Physiker entdeckten, dass sich dadurch auch die elektrischen Eigenschaften von PVDF verändern. Der von den halleschen Forschenden entdeckte Effekte ist so präzise steuerbar, dass es ihnen gelang, mit den elektrischen Ladungen ein nur wenige Nanometer großes Stadtwappen in das Material zu zeichnen - das wahrscheinlich kleinste der Welt. Das neue Verfahren könnte dabei helfen, Materialien wie PVDF für neue Anwendungen in der Elektro- und Speichertechnik nutzbar zu machen.

Eine aus wenigen Atomen bestehende Zwischenschicht ermöglicht es, den Transport von Spinströmen von einem Material in ein anderes zu verbessern. Bislang war dieser Prozess mit größeren Verlusten behaftet. Wie sich diese umgehen lassen, zeigt ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), des Max-Planck-Instituts (MPI) für Mikrostrukturphysik und der Freien Universität Berlin in der Fachzeitschrift "ACS Nano Letters". Die Forschenden liefern damit wichtige Erkenntnisse für viele spintronische Anwendungen, zum Beispiel zukünftige, energieeffiziente und ultraschnelle Speichertechnologien.

Egal, ob elektronische Bauteile, Handys oder Speichermedien: In der modernen Mikroelektronik wird die Ladung von Elektronen als Informationsträger genutzt. Für den Ladungstransport ist relativ viel Energie nötig und es entsteht Wärme. Eine energiesparende Alternative hierfür könnte die Spintronik bieten. Die Grundidee ist es, zusätzlich den so genannten Spin für die Informationsverarbeitung zu nutzen. Dabei handelt es sich um den Eigendrehimpuls von Elektronen, der ein magnetisches Moment bewirkt. So wird der Magnetismus erzeugt, der letztlich für die Informationsverarbeitung verwendet werden soll.

In der Spintronik müssen auch Spinströme von einem Material ins nächste übertragen werden. "Oft sind diese Übergänge mit starken Verlusten behaftet", sagt der Physiker Prof. Dr. Georg Woltersdorf von der MLU, der die Studie leitete. Das Team suchte nach einem Weg, diese Verluste abzuschwächen, und nutzte dabei einen Ansatz, der zunächst widersprüchlich klingt: Die Forschenden integrierten an der Grenzfläche zweier Materialien eine isolierende Barriere. "Dazu haben wir den Isolator auf der Ebene einzelner Atome so gestaltet, dass er metallisch wurde und die Spinströme leiten konnte. So lassen sich die Spinströme besser übertragen und die Grenzflächeneigenschaften optimieren", fasst Woltersdorf zusammen. Die Materialproben wurden am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik hergestellt. Durch Messungen des Spintransports an der MLU und der Freien Universität Berlin wurde der überraschende Effekt gefunden. Die Ergebnisse sind für viele spintronische Anwendungen von Relevanz. Damit könnten zum Beispiel spintronische Terahertz-Emitter verbessert werden. Terahertzstrahlung kommt nicht nur in der Forschung zum Einsatz, sondern auch in der Hochfrequenzelektronik, der Medizin, der Materialprüfung oder der Kommunikationstechnologie.

Eine neue Entdeckung von Physikern der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) könnte bestimmte Bauteile in Computern und Smartphones überflüssig machen. Dem Team ist es in einem gängigen magnetischen Material gelungen, Frequenzen ohne zusätzliche Bauteile direkt in höhere Bereiche umzuwandeln. Der Prozess der Frequenzvervielfachung ist von grundlegender Bedeutung in der modernen Elektronik. Über seine Forschung berichtet das Team in der aktuellen Ausgabe von "Science".

Digitale Technologien und Geräte sind bereits heute für etwa zehn Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich, Tendenz stark steigend. "Es ist daher notwendig, effizientere Bauelemente für die Informationsverarbeitung zu entwickeln", sagt der Physiker Prof. Dr. Georg Woltersdorf von der MLU.

Typischerweise werden die für den Betrieb der Geräte notwendigen Signale im Gigahertz-Frequenzbereich durch nicht-lineare elektronische Schaltungen erzeugt. Das Forscherteam der MLU hat nun einen Weg gefunden, wie das auch ohne elektronische Bauelemente innerhalb eines magnetischen Materials möglich ist. Die Entdeckung könnte dabei helfen, digitale Technologien in Zukunft energieeffizienter zu machen. Sie ist auch für neue Anwendungen von Interesse: Aktuelle Mikroelektronik nutzt die Ladung der Elektronen als Informationsträger. Ein großer Nachteil dieser Methode ist, dass das Verschieben von elektrischer Ladung Wärme freisetzt und viel Energie benötigt. Ein vielversprechender Ausweg könnte die Spin-Elektronik sein. Diese nutzt zusätzlich zur Ladung des Elektrons auch dessen magnetisches Moment, den sogenannten Spin, und erlaubt prinzipiell eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz. Der neu entdeckte Effekt könnte platzsparende und effiziente Frequenzquellen für die Spin-Elektronik im Gigahertz-Bereich ermöglichen.

In einem Gemeinschaftsprojekt untersucht ein MLU-Team aus der Physik, welche Prozesse zu Grenzflächendefekten in Dünnschichtsolarzellen führen. Bisher basieren 95 Prozent der installierten Solarmodule in Deutschland auf kristallinem Silizium. In den letzten Jahren wird verstärkt an Alternativen geforscht, die nachhaltiger hergestellt, flexibler eingesetzt und umweltfreundlicher recycelt werden können. Eine dieser Alternativen sind sogenannte Dünnschichtsolarzellen, bei denen mehrere Lagen verschiedener Materialien miteinander kombiniert werden. „Diese Schichten werden direkt auf einen Träger aufgedampft, was die Herstellungskosten gegenüber klassischen Siliziumzellen reduzieren könnte“, sagt Prof. Dr. Roland Scheer, Leiter der Arbeitsgruppe Photovoltaik an der MLU. „Außerdem sind Dünnschichtmodule sehr leicht und können als biegsame Folien produziert werden, was ihr Einsatzspektrum deutlich erweitert.“ Die Arbeitsgruppe um Roland Scheer erforscht unter anderem Module, bei denen die Absorberschicht – also jener Bereich, in dem Sonnenenergie in elektrischen Strom umgewandelt wird – aus Kupfer, Indium, Gallium und Selen (CIGS) besteht. Derartige Solarmodule werden bereits industriell gefertigt. Dabei hat sich ein Verfahren etabliert, bei dem die CIGS-Legierung unter Zugabe von Natrium aufgebracht wird, wodurch die Effizienz um bis zu 15 Prozent gesteigert werden kann.

Allerdings hat das Photovoltaik-Team herausgefunden, dass eben jener Katalysator einen Teil der gewonnenen Effizienz wieder zunichtemachen kann. Scheer: „Unter Umwelteinflüssen wie Licht und Feuchtigkeit wandern Natriumatome an die Oberfläche der CIGS-Schicht und behindern dort den Elektronentransport.“ Um diese Defekte und ihre Ursachen genauer untersuchen zu können, initiierten Roland Scheer und Dr. Stefan Förster aus der Fachgruppe Oberflächen- und Grenzflächenphysik ein Forschungsprojekt, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. Herzstück der Experimente ist eine Ultrahochvakuumanlage – abgesehen vom interstellaren Weltraum gibt es kein reineres Vakuum als in solchen Anlagen. Erreicht wird das durch mehrere Hochleistungspumpen. Zusätzlich wird die gesamte Apparatur, die etwa eine halbe Tonne wiegt, über drei Tage auf 130 Grad Celsius erwärmt. „Das ist nötig, um letzte Verunreinigungen im Inneren zu beseitigen“, erklärt Stefan Förster. „Schließlich wollen wir Fremdeinflüsse so weit wie möglich ausschließen.“

Das MLU-Team ist optimistisch, dass die gewonnenen Erkenntnisse schon bald in die industrielle Produktion von Dünnschichtsolarmodulen einfließen können. Das bedeutet nicht zwangsläufig, dass die Herstellung in einem Vakuum stattfinden muss: Schon jetzt werden die Schichten unter Schutzgas aufgedampft, was die Kontamination mit Sauerstoff weitestgehend verhindert. Jedoch könnte der zusätzliche Ausschluss von Licht in bestimmten Produktionsphasen den Wirkungsgrad weiter erhöhen. Das im Gemeinschaftsprojekt entwickelte kombinierte Vakuumverfahren ist zudem keineswegs auf Solarzellen beschränkt – es kann universell für die Forschung an und mit Halbleiter-Materialien eingesetzt werden.

Zum 1. Februar 2022 hat die Materialwissenschaftlerin Prof. Erica Lilleodden die Leitung des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) übernommen. Sie löst Prof. Matthias Petzold ab, der die Forschungseinrichtung seit Oktober 2019 erfolgreich kommissarisch geleitet hatte.

Prof. Erica Lilleodden leitete zuletzt zehn Jahre lang die Abteilung für Experimentelle Werkstoffmechanik am Helmholtz-Zentrum hereon in Geesthacht. Zu ihren Forschungsschwerpunkten zählen die Nano- und Mikromechanik von Werkstoffen wie Metallen, Keramiken und Verbundmaterialien, etwa im Hinblick auf Verformung und Defektbildung im Einsatz sowie auf die zielgerichtete Entwicklung von Materialien mit spezifischen Eigenschaften für Hochleistungsanwendungen.

Die gebürtige US-Amerikanerin studierte Materialwissenschaften an der University of Minnesota Twin Cities und an der Stanford University. Seit 2004 ist sie in Deutschland tätig, 2019 wurde Prof. Erica Lilleodden mit dem DGM-Preis der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde ausgezeichnet.

An der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg finanziert der Europäische Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) die Forschungsarbeitsplätze von 14 promovierten Wissenschaftlern aus Physik und Chemie im Rahmen des Forschungsschwerpunkts „Nanostrukturierte Materialien“. Die Förderung mit rund 5,4 Millionen Euro EU-Mitteln ist eine lohnende Investition: Zahlreiche Projekte, an denen hier auf der Ebene der atomaren Organisation von Materialien geforscht wird, können zu Anwendungen führen, die unsere Zukunft verändern. Winzige, nach Bedarf rekonfigurierbare Dioden machen Schaltkreise effizienter und flexibler im Vergleich zu existierenden Bauelementen. Nanopartikel helfen dabei, dass sich millimetergroße Löcher im Lack von Flugzeugen oder Autos wie von Zauberhand selbst schließen. Der EFRE investiert im Rahmen des Förderprogramms Sachsen-Anhalt WISSENSCHAFT (Schwerpunkte) in diese faszinierende Forschung, um Kompetenzzentren im Bereich Forschung auszubauen, insbesondere solche von europäischem Interesse. Diese hohe Messlatte wird von den Forschern in Halle in vollem Umfang erfüllt.

Der Forschungsschwerpunkt „Nanostrukturierte Materialien“ besteht bereits seit dem Jahr 2004 und leistet einen wichtigen Beitrag zum Profil der Martin-Luther-Universität und ihrer Forschungspartner, des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik und des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen. „Das Netzwerk lebt von der Zusammenarbeit der Forschungspartner“, betont Ingrid Mertig den Wert ihres Forschungsnetzwerks in Halle. In jedem Jahr werden für diesen Forschungsschwerpunkt etwa zehn Millionen Euro Drittmittel eingeworben – die EFRE-Förderung steuert von 2016-2022 zusätzliche Mittel bei und ist damit ein wichtiger Baustein des Forschungsschwerpunkts.

Hinter den 14 Stellen stehen 14 verschiedene Projekte, die von den Post-Docs bearbeitet werden. Diese Projekte sind anwendungsorientiert. Hier gehen jedoch keine Produkte in Serie. Das Ziel der Projekte ist, die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung bis zur Beschreibung einer Anwendung oder zur Anmeldung eines Patents weiterzuentwickeln.