Theorie bestätigt: Physiker haben erstmals beobachtet, dass bei der Erzeugung von Mikrowellen-Datensignalen auch eine Art von „Obertönen“ entstehen können. Dabei kommt es im sogenannten Spinwellen-Oszillator zu einem abrupten Frequenzsprung und es entstehen Wellen mit deutlich höherer Frequenz als das Grundsignal. Diese Spinwellen-Obertöne wurden zwar theoretisch vorhergesagt, aber erst jetzt gelang der experimentelle Beweis.
Um Mikrowellen für die kabellose Datenübertragung zu erzeugen, werden oft sogenannte Spinwellen-Generatoren verwendet. Diese bestehen aus einer unmagnetischen zwischen zwei verschieden polarisierten magnetischen Schichten. Wird nun eine Spannung angelegt, entstehen Spinwellen im Material: Die Spins der Atome verändern sich in einem wellenförmigen Muster. Diese Oszillation löst in der zweiten Magnetschicht die Bildung von Mikrowellen aus.
Obertöne wie in der Musik
So weit, so bekannt. Doch Forscher um Johan Åkerman von der Universität Göteborg haben nun ein ganz neues Verhalten solcher spintronischer Oszillatoren beobachtet. Als sie die Spannung in einem von ihnen entwickelten Oszillator allmählich erhöhten, löste dies zwei abrupte Sprünge in der Frequenz der Spinwellen aus. Die Grundfrequenz erhöhte sich erst auf neun bis 14 Gigahertz, dann noch einmal auf 20 Gigahertz.
Was war passiert? Die Physiker beschreiben das Phänomen als eine Art Obertöne der Spinwellen. Ähnlich wie in der Musik werden dabei die Grundschwingungen durch zusätzliche Wellen mit höherer Frequenz überlagert. „Ein Violinist erzeugt solche Obertöne, indem er mit seinem Finger die Grundschwingung der Saite dämpft“, erklärt Åkerman. Als Folge sind die zarten Obertöne zu hören.
Praktischer Nutzen für die Datenübertragung
Dass es solche Obertöne auch bei Spinwellen gibt, hatte bereits vor rund 20 Jahren der Physiker John Slonczewski theoretisch vorhergesagt. „Doch das ist nie experimentell untersucht und bewiesen worden – bis jetzt“, so Åkerman. „Unser Experiment belegt nun, dass es möglich ist, verschiedene Obertöne in spintronischen Oszillatoren zu erzeugen.“ Die Obertöne erreichten Wellenlängen von 120 in der ersten Ebene und 74 Nanometern in der zweiten.
So exotisch dieses Phänomen anmutet – es hat einen praktischen Nutzen: „Diese Spinwellen höherer Ordnung ermöglichen extrem schnelle und große Frequenzsprünge und das kann die Übertragungsrate von kabelloser Kommunikation erhöhen“, erklärt Åkerman. Das Potenzial sei enorm. (Nature Communications, 2018; doi: 10.1038/s41467-018-06589-0)
Quelle: University of Gothenburg
