Das Ziel: Die Tür zu einer neuen Generation von Transistoren und damit auch zu einer neuen Generation von Computern zu öffnen. Dazu notwendig: neue Theorien und neue Experimente.

Gemeinsam mit Forschungseinrichtungen in Hamburg und Halle widmet sich Prof. Arthur Ernst (Institut für Theoretische Physik der JKU) der Suche nach „nicht-kollinearen Spinstrukturen in reinen und mit Seltenen Erden dotierten ultradünnen Ferriten“. Spins repräsentieren hier kleinste Magnete, die sich in diesen Ferriten gerne parallel ausrichten. In ultradünnen Schichten findet man abweichende, sogenannte nicht-kollineare Anordnungen aus denen sich spannende Fragen vergeben: Wie reagieren Elektronen auf Oberflächen und dünnen Schichten? Wie lassen sich ihre magnetischen Eigenschaften verändern? Dafür eignen sich Ferrite, also Werkstoffe aus der Familie der Eisenoxide, besonders. Und Seltene Erden sowieso, denn die weisen extrem starke magnetische Eigenschaften auf.

Klein und nachhaltig
So hoffen die Forscher*innen, neue Materialen künstlich herstellen zu können, die unsere Computertechnologie auf ein neues Level heben könnten. Denn über die magnetische Beeinflussung kann man Spinwellen von Elektronen ohne Strom manipulieren. Das ermöglicht zuverlässige elektronische Schaltungen, die viel kleiner sind als die heute in Computern üblichen. Ein weiterer Vorteil: Solche Schaltungen wäre auch weitaus umweltverträglicher in der Herstellung, also Teil einer „grünen Elektronik“.

Das Forschungsprojekt ist allerdings ungeheuer komplex. Neben den „normalen“ Problemen, im Nanobereich zuverlässige Forschung zu betreiben, müssen winzig kleine Proben hergestellt, mit Seltenen Erden angereichert und dann auf ihre kristallinen und magnetischen Eigenschaften hin untersucht werden. Hier ergänzen sich Theoretiker- und Experimentator*innen.

„Wir haben zwei experimentelle Teams. An der JKU Prof. Andreas Ney von der Abteilung für Festkörperphysik und Dr. Katayoon Mohseni vom Max-Planck-Institut in Halle. Aber damit die Experimentierenden nicht im Blindflug arbeiten, wird ein neuer und solider theoretischer Unterbau benötigt“, erklärt Prof. Ernst. Den will er mit seinem Team in Zusammenarbeit mit Prof. Pawel Buczeck (Univ. Hamburg) liefern. „Wir werden erstmal die geeigneten Materialen über Computersimulationen berechnen. Die geeignetsten werden dann synthetisiert und experimentell untersucht.“

Nötig ist dazu enorm viel Rechenleistung. „Man darf sich das nicht als einfaches Programm auf einem normalen Computer vorstellen“, betont Prof. Ernst. „Denn gerade in der Physik, aber auch in anderen Bereichen stoßen wir mittlerweile in Bereiche vor, die nur noch mit hochmodernen und extrem leistungsfähigen Rechnern machbar sind.“ Solche hochkomplexen Berechnungen können Institute nicht mehr allein bewältigen, sondern benötigen Hochleistungsrechner, die von mehreren Universitäten oder Institutionen kooperativ betrieben werden.

 Das Thema ist jedenfalls gefragt: Ernst wird in Kürze im überaus renommierten Magazin „Advanced Materials“ ein Paper über magnetische Wirbel in Ferromagneten veröffentlichen, wofür ebenfalls Berechnungen durch Supercomputer notwendig waren. Ein ähnlicher Artikel über die Skalierung der ultraschnellen Drehimpulsübertragung 4f-Antiferromagneten wurde soeben in Nature Materials publiziert.