Seit Jahrzehnten faszinieren Magnonen Physiker mit ihrem Potenzial für Quantentechnologien. Diese winzigen magnetischen Wellen breiten sich in festen Materialien aus wie Ringe, die ein ins Wasser geworfener Stein erzeugt. Ihre nanoskaligen Wellenlängen bedeuten, dass daraus aufgebaute Schaltkreise theoretisch so klein wie eine Münze sein könnten. Doch ein grundlegendes Problem verhinderte ihren praktischen Einsatz: Sie verschwinden fast sofort nach ihrer Entstehung — bis jetzt.
Ein internationales Team unter der Leitung von Professor Andrii Chumak an der Universität Wien hat einen dramatischen Durchbruch erzielt und die Magnon-Lebensdauer um fast das 100-Fache von einigen hundert Nanosekunden auf bis zu 18 Mikrosekunden verlängert. Die Ergebnisse wurden am 1. Mai in Science Advances veröffentlicht und gelten seither als transformativer Schritt für das Quantencomputing.
Warum Magnonen wichtig sind
Anders als Photonen, die durch leeren Raum oder Glasfasern reisen, bewegen sich Magnonen innerhalb fester magnetischer Materialien. Ihre Wellenlängen können auf die Nanometerskala schrumpfen, sodass magnonische Schaltkreise auf Chips passen könnten, die nicht größer sind als die in heutigen Smartphones.
Da ein Magnon eine Anregung innerhalb eines Festkörpers ist, interagiert er natürlich mit anderen fundamentalen Quasiteilchen — Phononen und Photonen — was Magnonen zu vielversprechenden Bausteinen für hybride Quantensysteme und Quantenmesstechnik macht. Sie könnten als „Quantenbus" dienen, der hunderte von Qubits über einen einzigen gemeinsamen Pfad verbindet und damit eines der hartnäckigsten Probleme des skalierbaren Quantencomputings löst.
Der Durchbruch
Das Forschungsteam kombinierte zwei Schlüsselstrategien. Erstens verwendeten sie kurzwellige Magnonen anstelle der herkömmlichen gleichförmigen Typen, da diese natürlicherweise weniger von Kristalloberflächendefekten betroffen sind. Zweitens wurden ultrareine Kugeln aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) auf nur 30 Millikelvin gekühlt — ein Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt — wodurch die thermischen Prozesse, die Magnonen normalerweise zerstören, eingefroren wurden.
Die bedeutendste Entdeckung: Die verbleibende Grenze der Magnon-Lebensdauer ist kein physikalisches Gesetz, sondern schlicht die Materialqualität. Drei Kugeln unterschiedlicher Reinheit wurden getestet, und reinere Materialien ermöglichten durchgängig längere Magnon-Lebensdauern. Selbst die unreinste Probe übertraf alle bisherigen Rekorde.
Auswirkungen
Mit Lebensdauern von 18 Mikrosekunden werden Magnonen von verlustreichen, kurzlebigen Signalen zu dauerhaften Trägern von Quanteninformation — vergleichbar mit den supraleitenden Qubits, die in heutigen führenden Quantenprozessoren verwendet werden. Der klare Weg nach vorne — bessere Materialien, nicht neue Physik — bedeutet, dass der Fortschritt sich rasch beschleunigen könnte.
„Dies öffnet die Tür zu Quantencomputern, die potenziell nicht größer als eine 1-Cent-Münze sind", so die Forscher, die eine Zukunft vor Augen haben, in der Quantengeräte nicht raumfüllende Installationen, sondern alltägliche tragbare Technologie sind.
