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RIKEN Center for Emergent Matter Science

Induktivitäten betreten die Welt der Quantenmechanik

12. Oktober 2020, 09:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Induktivitäten betreten die Welt der Quantenmechanik
© Nature

Eine klassische Induktivität (a) besteht aus einer Drahtwicklung um einen Kern und hat eine Induktivität, die proportional zu ihrer Querschnittsfläche ist. Yokouchi und seine Kollegen haben eine emergente Induktivität (b) geschaffen, deren Induktivität, die umgekehrt proportional zu seiner Querschnittsfläche ist.

Induktivitäten lassen sich schwer miniaturisieren. Japanische Forscher haben nun eine quantenmechanische Induktivität geschaffen, deren Induktivität umgekehrt proportional zu ihrer Querschnittsfläche ist. Bis zum realen Einsatz sind jedoch noch einige Hürden zu nehmen.

Klassische Induktivitäten bestehen aus einem um einen Kern gewickelten Draht. Da die Induktivität solcher Bauteile proportional zu ihrer Querschnittsfläche ist, ist es allerdings schwierig, sie zu miniaturisieren und gleichzeitig eine angemessene Induktivität beizubehalten. In der Zeitschrift Nature berichten Tomoyuki Yokouchi und seine Kollegen vom RIKEN Center for Emergent Matter Science über eine quantenmechanische Induktivität, die als Emerging Inductor bezeichnet wird [1]. Sie nutzt das elektrische Feld, das durch die stromgetriebene Dynamik erzeugt wird, die bei komplexen Bewegungen der magnetischen Momente (Spins) in einem magnetischen Material beobachtet wird. Bemerkenswert ist, dass dieses Bauteil eine Induktivität besitzt, die umgekehrt proportional zu seiner Fläche ist. Auch benötigt das Bauteil weder eine Wicklung noch einen Kern. Dies sind Eigenschaften, die für praktische Anwendungen sehr wünschenswert sind.

Der Begriff emergenter Elektromagnetismus bezieht sich auf ein Phänomen, bei dem die erzeugten elektrischen und magnetischen Flüsse durch ein Konzept der Quantenmechanik beschrieben werden, das als Berry-Phase bezeichnet wird [2]. Zu den physikalischen Systemen, die einen emergenten Elektromagnetismus aufweisen, gehören magnetische Systeme mit nicht-kollinearen Spinstrukturen, wobei die Richtung der Magnetisierung mit der Position der Spins variiert. Fließen Elektronen entlang solcher Strukturen, können sie stark an die lokale Anordnung der Spins gekoppelt werden und eine Berry-Phase erhalten. Diese Phase wirkt dann als ein wirksames elektromagnetisches Feld, das als emergentes Feld bezeichnet wird [3].

Ein emergentes Magnetfeld entsteht beispielsweise, wenn Elektronen durch sogenannte topologische, nicht-kollineare Spinstrukturen fließen. Diese Strukturen haben eine besondere Topologie, die sie robust gegenüber kleinen Verzerrungen oder Störungen macht. Das erzeugte Magnetfeld führt bei Spannungsmessungen, die als Hall-Messungen bezeichnet werden, zu einem zusätzlichen Signal, das durch ein physikalisches Phänomen namens topologischer Hall-Effekt induziert wird [4,5]. Angesichts der komplexen Natur solcher Spinstrukturen bietet dieses Spannungssignal eine zweckmäßige Möglichkeit, topologische magnetische Zustände in einem breiten Spektrum von Materialien zu untersuchen [6,7].

Im Gegensatz dazu entsteht ein emergentes elektrisches Feld aus der Dynamik nicht-kollinearer Spinstrukturen. Ein solches Feld entsteht beispielsweise, wenn ein Magnetfeld die Bewegung von Domänenwänden in magnetischen Materialien antreibt [8]. Im Jahr 2019 wurde theoretisch gezeigt, dass ein emergentes elektrisches Feld auch durch die stromgetriebene Dynamik von nicht-kollinearen Spinstrukturen erzeugt werden kann [9]. Noch spektakulärer war die Vorhersage, dass dieses Feld eine Induktivität erzeugen würde, die proportional zur Änderungsrate der Stromdichte ist. Da diese Dichte umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche des Bauteils wäre, würde die emergente Induktivität mit abnehmender Fläche zunehmen. Dies steht in scharfem Gegensatz zu den Gegebenheiten bei klassischen Induktivitäten (Bild 1).

Aufbau der quantenmechanischen Induktivität

Yokouchi und seine Kollegen verwendeten einen Mikrometer-Magneten aus Gd3Ru4Al12 (Gadolinium; Ruthenium; Aluminium), der verschiedene nicht-kollineare Spinstrukturen enthält, z.B. helixartige, konische und fächerförmige Strukturen. Sie wählten dieses Material, weil die magnetische Anisotropie (Richtungsabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften) nur schwach ausgeprägt ist und weil die Spinstrukturen eine kurze Steigung (Pitch) haben (räumliche Periodizität). Spins können sich unter einer schwachen magnetischen Anisotropie relativ frei bewegen, und die entstehende Induktivität ist umgekehrt proportional zur Länge der Steigung [9].

Die Autoren untersuchten die emergente Induktivität ihres Bauteils mit einer Technik, die als Lock-in-Detektion bezeichnet wird. Sie steuerten den Spin-Strukturzustand des Bauteils, indem sie die Temperatur und die Stärke eines angelegten Magnetfelds änderten, und führten Messungen an verschiedenen Zuständen durch. Sie variierten auch die Länge, Breite und Dicke des Bauteils, um die Reproduzierbarkeit zu bestätigen und die Möglichkeit auszuschließen, dass das beobachtete Signal durch externe Faktoren (z.B. das Vorhandensein von Kontaktelektroden) verursacht wurde.

Am eindrucksvollsten ist, dass die Forscher bei einem Bauteil mit etwa einem Millionstel des Volumens einer klassischen Induktivität eine emergente Induktivität von etwa –400 nH beobachteten. Indem sie den Spin-Struktur-Zustand des Bauteils veränderten, konnten die Autoren die Übereinstimmung zwischen der emergenten Induktivität und der Nicht-Kollinearität und Dynamik der Spin-Strukturen klären. Dieser Zusammenhang lässt sich gut durch den bereits erwähnten Mechanismus für die emergente Induktivität erklären.

Yokouchi und seine Kollegen entdeckten zum Beispiel, dass die strombedingte Dynamik der helixförmigen Spinstrukturen für die große emergente Induktivität verantwortlich ist. Im Gegensatz dazu ergeben die fächerförmigen Strukturen eine viel geringere Induktivität, weil ihre lokalen Winkelvariationen viel kleiner sind als die der anderen Strukturen. Darüber hinaus fanden die Autoren heraus, dass das Vorzeichen der emergenten Induktivität zwischen positiv und negativ umgeschaltet werden kann, indem sie die Bewegungsrichtung der Spin-Strukturen steuern – ebenfalls ein auffälliger Gegensatz zu klassischen Induktivitäten.

Diese Arbeit ist aus mehreren Gründen bedeutsam. Erstens bietet sie einen skalierbaren Ansatz für die Entwicklung miniaturisierter Induktivitäten mit hoher Induktivität, die in vielen mikro- oder nanoskaligen elektronischen Bauteilen und integrierten Schaltungen eingesetzt werden könnten. Solche Induktivitäten wären auch viel einfacher zu konzipieren als klassische Induktivitäten, da weder eine Spule noch ein Kern erforderlich wären. Zweitens eröffnet die Arbeit attraktive Möglichkeiten, hocheffiziente hybride spin-elektronische Schaltungen und Systeme zu realisieren. Und drittens dient sie als Beweis dafür, dass ein die Berry-Phase als grundlegendes Konzept der Quantenmechanik zu Anwendungen in der realen Welt führen kann.

Herausforderungen für den praktischen Einsatz

Für den praktischen Einsatz solcher neuartigen Induktoren sind jedoch weitere technologische Durchbrüche erforderlich. Eine große Herausforderung besteht darin, emergente Induktivitäten zu entwickeln, die bei Raumtemperatur und nicht bei den aktuellen Temperaturen von etwa 10 Kelvin wirken. Um diese Beschränkung zu überwinden, ist eine umfassende Erforschung potenzieller Materialien erforderlich. Insbesondere geht es darum, ein Magnetmaterial zu finden, in dem nicht-kollineare Spinstrukturen mit kurzer Steigung bei Raumtemperatur leicht stabilisiert und manipuliert werden können. Die Entwicklung eines Prozesses, mit dem sich derartige Induktivitäten zu integrierten Schaltungen hinzufügen lassen, wird für Anwendungen ebenfalls von wesentlicher Bedeutung sein.

Nichtsdestotrotz haben Yokouchi und seine Kollegen eine grundlegende Entdeckung gemacht, die zu zukünftigen Bemühungen in der Entwicklung von elektronischen Bauteilen, Schaltungen und Systemen führen und gleichzeitig eine inspirierende Brücke zwischen der Welt der Quantenmechanik und der modernen Elektronik schlagen könnte.

Referenzen

[1] T. Yokouchi, et al., Emergent electromagnetic induction in a helical-spin magnet, Nature 586, 232–236 (2020), DOI: 10.1038/s41586-020-2775-x

[2] M. V. Berry, Quantal phase factors accompanying adiabatic changes, Proc. R. Soc. Lond. A 392, 45–57 (1984), DOI: 10.1098/rspa.1984.0023

[3] D. Xiao, et al., Berry phase effects on electronic properties, Rev. Mod. Phys. 82, 1959–2007 (2010), DOI: 10.1103/RevModPhys.82.1959

[4] A. Neubauer, et al., Topological Hall Effect in the A Phase of MnSi, Phys. Rev. Lett. 102, 186602 (2009), DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.186602

[5] T. Schulz, et al., Emergent electrodynamics of skyrmions in a chiral magnet, Nature Phys. 8, 301–304 (2012), DOI: 10.1038/nphys2231

[6] L. Vistoli, et al., Giant topological Hall effect in correlated oxide thin films, Nature Phys. 15, 67–72 (2019), DOI: 10.1038/s41567-018-0307-5

[7] T. Kurumaji, et al., Skyrmion lattice with a giant topological Hall effect in a frustrated triangular-lattice magnet, Science 365, 914–918 (2019), DOI: 10.1126/science.aau0968

[8] S. A. Yang, et al., Universal Electromotive Force Induced by Domain Wall Motion, Phys. Rev. Lett. 102, 067201 (2009), DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.067201

[9] N. Nagaosa, Emergent inductor by spiral magnets, Jpn. J. Appl. Phys. 58, 120909 (2019), DOI: 10.7567/1347-4065/ab5294

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