Mobile-Menu

Spintronik plus Quanten PSI-Forscher erhält bedeutende EU-Förderung

Von Bernd Müller, PSI 4 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Paul Scherrer Institut
Sick AG
Vogt AG Verbindungstechnik

PSI-Physiker Giacomo Sala verbindet zwei bislang getrennte Disziplinen der Physik: die etablierte Spintronik und die junge Quantengeometrie. Sein Projekt Q-Geomspin am Paul Scherrer Institut PSI könnte den Weg zu effizienteren Datenspeichern ebnen und wird nun mit rund 2,2 Millionen CHF vom Europäischen Forschungsrat ERC gefördert.

Giacomo Sala ist Experimentalphysiker am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI. Für sein Projekt Q-Geomspin erhält er eine finanzielle Förderung der EU: einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats ERC. (Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)
Giacomo Sala ist Experimentalphysiker am Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI. Für sein Projekt Q-Geomspin erhält er eine finanzielle Förderung der EU: einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats ERC.
(Bild: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)

Der PSI-Physiker Giacomo Sala hat eine der begehrten Förderungen des Europäischen Forschungsrats ERC zugesprochen bekommen – einen sogenannten Starting Grant. Der ERC unterstützt Salas Projekt Q-Geomspin mit 2,3 Millionen Euro (rund 2,2 Millionen CHF) über die kommenden fünf Jahre. Da die Schweiz seit Ende 2025 wieder voll mit den Forschungsförderungsprogrammen der Europäischen Union assoziiert ist, erhält Sala diese Finanzierung direkt vom ERC.

Das Aussergewöhnliche an Salas Vorstoss ist die Kombination zweier Forschungsgebiete – Spintronik und Quantengeometrie – zu einem neuen Forschungsfeld. Die Erkenntnisse daraus könnten langfristig neue Möglichkeiten für spintronische Datenspeicher eröffnen. Zudem könnten sie helfen, kleine Energiemengen zu gewinnen und neue Materialeigenschaften zu entwickeln.

Die Idee für Q-Geomspin entstand während zweier Stationen in Salas bisheriger wissenschaftlicher Laufbahn. Während seiner Promotion an der ETH Zürich erforschte er Spintronik und Magnetismus. Etwas später, als Postdoktorand an der Universität Genf, wandte er sich der Quantengeometrie zu. Die Verbindung beider Perspektiven brachte ihn auf die Frage, ob die Quantengeometrie bislang übersehene spintronische Effekte hervorbringt. «Soweit ich weiss, hat bisher niemand experimentell diese beiden Felder verknüpft », sagt der Experimentalphysiker vom Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI.

Von der Elektronik zur Quantengeometrie
  • Elektronik nutzt nur die Ladung der Elektronen: Strom fliesst oder fliesst nicht – daraus entstehen die Nullen und Einsen in der digitalen Datenverarbeitung. Genutzt wird also die Bewegung der Ladung.
  • Spintronik nimmt eine zweite Eigenschaft hinzu: den Spin, den quantenmechanischen Eigendrehimpuls. Vereinfacht gesagt: eine Ausrichtung der Elektronen nach oben oder unten. Diese Eigenschaft lässt sich zur Informationsübertragung nutzen.
  • Quantengeometrie beschreibt die geometrische Struktur der Elektronen-Wellenfunktionen im Festkörper. Ein Teil davon, die Quantenmetrik, wirkt wie eine ins Material eingebaute Gravitation und lenkt die Elektronen ab. Das neue an der Quantenmetrik ist, dass diese Geometrie selbst zur Steuergrösse wird und mit dem Spin verknüpft werden kann.

Ein weisser Fleck auf der Spintronik-Landkarte

Die Spintronik ist ein seit dreissig Jahren etabliertes wissenschaftliches Gebiet. Ihre Bedeutung wurde unterstrichen durch einen Physiknobelpreis, der im Jahr 2007 für ihre Erforschung vergeben wurde. Die Spintronik macht sich den Spin – die Eigenrotation – von Elektronen zunutze, um Informationen zu speichern.

In den letzten Jahren hat sich jedoch gezeigt, dass die Spintronik sozusagen noch einen weissen Fleck auf ihrer Landkarte hat: Arbeiten in der theoretischen Physik deuten darauf hin, dass sich bestimmte spintronische Phänomene mit der jungen Quantengeometrie vorhersagen, verstehen und kontrollieren lassen. Konkret geht es um ein Teilgebiet der Quantengeometrie: die Quantenmetrik.

Um die Idee der Quantenmetrik zu veranschaulichen, nutzt Sala eine Analogie: die Gravitation. Die Gravitationskraft sorgt dafür, dass die Erde um die Sonne kreist. Laut Albert Einstein ist die korrekte Erklärung dafür aber eine Krümmung des Raums, verursacht durch die Masse der Sonne. «So ähnlich ist es für Elektronen, wenn sie sich durch einen Festkörper bewegen», so Sala. Aufgrund der Quantenmetrik krümmt sich der Impulsraum. Dies «spüren» die Elektronen und werden entsprechend abgelenkt.

Giacomo Sala wird von der nun zugesprochenen Förderung zwei Promovierende und eine Person auf Postdoktorats-Niveau einstellen können. Gemeinsam mit diesem kleinen Team wird er im Rahmen von Q-Geomspin unter anderem topologische Materialien untersuchen. Das sind Festkörper, die im Inneren Isolatoren sind, an der Oberfläche dagegen elektrischen Strom leiten. Ebenfalls auf dem Programm stehen oxidische Verbindungen und zweidimensionale sogenannte Van-der-Waals-Materialien wie Graphen.

Synchrotronlicht und Nanotechnologie: Das PSI bietet die nötige Infrastruktur

Sala und sein Team werden dabei Strukturen herstellen und messen, die nur wenige Mikrometer klein sind. Diese werden nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt (minus273,15 Grad Celsius) abgekühlt. Dafür schafft das PSI mit den ERC-Mitteln einen besonderen Kryostaten an: ein Kühlgerät, das auch starke Magnetfelder erzeugt. Darin wird ein elektrischer Strom durch die Probe geschickt und die Ablenkung der Elektronen gemessen. Dabei suchen die Forschenden gezielt nach nichtlinearen Effekten, wenn also kleine Variationen der Spannung oder des Magnetfelds zu grossen Änderungen in der Messung führen. In diesen Abweichungen erwarten sie Hinweise auf die Quantengeometrie.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung. Die Einwilligungserklärung bezieht sich u. a. auf die Zusendung von redaktionellen Newslettern per E-Mail und auf den Datenabgleich zu Marketingzwecken mit ausgewählten Werbepartnern (z. B. LinkedIn, Google, Meta).

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Dass Sala für sein Vorhaben ans PSI gekommen ist, hat mit dessen strategischer Forschungsausrichtung und einzigartiger Infrastruktur zu tun. Am neuen «Quantum Matter and Materials Center» am PSI, kurz QMMC, kommt die Arbeit verschiedener PSI-Forschungsgruppen im Bereich der Quantenmaterie und -materialien zusammen. Q-Geomspin passt hervorragend in diesen neuen Knotenpunkt der Quantenforschung.

So bietet das PSI auch alle Einrichtungen, die Sala und sein Team benötigen werden, um Materialien herzustellen und zu charakterisieren, Mikrobauelemente zu fertigen und um bei tiefen Temperaturen Messungen durchzuführen. Unter anderem wird das Team die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS nutzen sowie den neuen PSI-Reinraum «PICO», der von der Forschungsgruppe für Nanotechnologie geführt wird und für die Fertigung der winzigen Bauelemente bestens geeignet ist. Auch die Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ des PSI könnte interessante Möglichkeiten für ihre Forschung bieten.

Q-Geomspin könnte der Spintronik endlich einen grossen Durchbruch verschaffen. Mit Ausnahme des Riesenmagnetowiderstands, der in den 1980ern entdeckt wurde und bald darauf die Speicherdichte von Computerfestplatten vervielfacht hat, sind kommerzielle Anwendungen bisher rar. Auf der Wunschliste stehen nun leistungsfähigere spintronische Speicher (MRAM) oder Computerprozessoren, die nach dem Vorbild des Gehirns arbeiten. Auch exotische Ideen wie das Einsammeln von Energie aus ungenutzten WLAN-Funkwellen werden diskutiert. Giacomo Sala bleibt realistisch: «Q-Geomspin ist reine Grundlagenforschung. Aber die ist wichtig, um daraus Anwendungen zu entwickeln.»

(ID:50977100)

Weiterführende Inhalte