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Quantencocktail bietet Einblicke in die Kontrolle von Speicherelementen

Michael Messer, ETH Zürich

Ein Cocktail aus "geschüttelten Quantenmagneten". Experimente mit Atomen in einem geschüttelten Kristall aus Licht liefern neue Erkenntnisse, die hilfreich sein könnten, um das Verhalten magnetischer Speichermedien auf einer grundlegender Ebene zu verstehen.

29.01.2018: Experimente mit Atomen in einem geschüttelten künstlichen Kristall aus Licht bieten neue Einblicke in die Physik von Quanten-Vielteilchensystemen. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten für die Entwicklung zukünftiger Datenspeichertechnologien hilfreich sein.

Die Geschwindigkeit, mit der Information in magnetischen Datenspeichern geschrieben und ausgelesen werden kann, ist durch die Zeit begrenzt, die benötigt wird, um den Datenträger zu manipulieren. Um solche Prozesse zu beschleunigen, haben Forscher vor Kurzem damit begonnen, die Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen zu erforschen, welche die magnetische Domänen in Festkörpermaterialien klappen können. Dieser Weg zur Änderung von lokalen magnetischen Eigenschaften erwies sich als vielversprechend. Über die zugrundeliegenden physikalischen Mechanismen ist jedoch nach wie vor wenig bekannt. Dies liegt vor allem an der Komplexität der involvierten magnetischen Materialien, in denen eine grosse Anzahl von magnetischen Grundeinheiten miteinander wechselwirken. Solche sogenannten Quanten-Vielkörpersysteme sind bekanntermassen extrem schwierig zu untersuchen.

Frederik Görg und seine Kollegen in der Gruppe von Prof. Tilman Esslinger am Institut für Quantenelektronik haben nun einen alternativen Ansatz gewählt, um neue Einblicke in die Physik solcher Systeme zu erhalten.

Görg und seine Mitarbeiter simulierten magnetische Materialien mit elektrisch neutralen (aber magnetischen) Atomen, die sie in einem künstlichen Kristall aus Licht fangen. Auch wenn dieses System sehr verschieden ist von den Speichermaterialien welche sie nachahmen, so unterliegen beide ähnlichen physikalischen Grundprinzipien. Im Gegensatz zu einer Festkörperumgebung werden jedoch viele unerwünschte Effekte (die zum Beispiel von Verunreinigungen im Material herrühren) vermieden. Zudem können alle Schlüsselparameter des Systems fein reguliert werden. Das Team nutzte diese Reduktion in der Komplexität und den Grad an Kontrolle, um die mikroskopischen Prozesse in ihrem Quanten-Vielteilchensystem zu erkunden und um Möglichkeiten zu finden, die magnetische Ordnung in ihrem System zu verbessern und zu manipulieren.

Als wichtigstes Resultat zeigten die ETH-Physiker, dass sie durch kontrolliertes Schütteln des Kristalls, in dem sich die Atome befinden, zwischen zwei Formen der magnetischen Ordnung wechseln können (antiferromagnetische und ferromagnetische Ordnung). Solche Schaltprozesse sind in der Datenspeicherung von zentraler Bedeutung. Das grundlegende Verständnis, das aus diesen Experimenten gewonnen wurde, sollte daher dazu beitragen, Materialien zu identifizieren und zu verstehen, die als Grundlage für die nächste Generation von Datenspeichermedien dienen könnten.

Originalveröffentlichung:
Frederik Görg, Michael Messer, Kilian Sandholzer, Gregor Jotzu, Rémi Desbuquois & Tilman Esslinger; "Enhancement and sign change of magnetic correlations in a driven quantum many-body system"; Nature; 2018

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