Die seltsame Geometrie der Elektronen

Ein Physiker am Paul Scherrer Institut will herausfinden, ob die Quantenwelt die Bewegung von Elektronen beeinflusst. Der Europäische Forschungsrat stellt dafür 2,3 Millionen Euro bereit. Was daraus werden kann, ist noch völlig offen.

Villigen hat einen gewissen Ruf für Dinge, die man nicht ohne weiteres sieht. Im Paul Scherrer Institut werden Teilchen beschleunigt, Materialien mit Neutronen untersucht und Prozesse im Innersten der Materie vermessen. Nun beschäftigt sich dort der Physiker Giacomo Sala mit einer Frage, die noch etwas schwerer zu fassen ist: Kann die geometrische Struktur der Quantenwelt beeinflussen, wie sich Elektronen in einem Material bewegen?

Sala bekommt für die Suche nach einer Antwort einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats. 2,3 Millionen Euro stehen ihm in den kommenden fünf Jahren für das Projekt Q-GEOMSPIN zur Verfügung. Er will darin zwei Forschungsgebiete zusammenbringen, die bislang weitgehend getrennt voneinander betrachtet wurden: Spintronik und Quantengeometrie.

Das Vorhaben ist Grundlagenforschung. Ob daraus eines Tages eine neue Speichertechnologie entsteht, lässt sich nicht sagen. Genau deshalb lohnt sich ein Blick auf die Frage, die am Anfang steht.

Ein Elektron hat mehr als eine Ladung

Die Elektronik, wie wir sie kennen, macht sich vor allem die elektrische Ladung von Elektronen zunutze. Strom fließt oder fließt nicht. Die Spintronik setzt bei einer weiteren Eigenschaft an: dem Spin. Der Begriff bezeichnet einen quantenmechanischen Eigendrehimpuls des Elektrons. Er ist mit einem magnetischen Moment verbunden und lässt sich deshalb für die Speicherung und Verarbeitung von Informationen nutzen.

Dass daraus praktische Anwendungen entstehen können, zeigte sich Ende der achtziger Jahre. Damals entdeckten Albert Fert und Peter Grünberg unabhängig voneinander den Riesenmagnetowiderstand. Dabei verändert sich der elektrische Widerstand eines Materials stark, wenn sich die magnetische Ausrichtung bestimmter Schichten ändert.

Der Effekt wurde unter anderem für die Leseköpfe von Festplatten genutzt. Die Daten konnten dadurch auf kleineren Flächen gespeichert werden. Für ihre Entdeckung erhielten Fert und Grünberg 2007 den Nobelpreis für Physik.

Vieles, was heute unter Spintronik erforscht wird, ist allerdings noch nicht in vergleichbarer Weise in der Technik angekommen. Sala interessiert sich nun für einen Zusammenhang, der noch weiter am Anfang steht.

Die Geometrie im Impulsraum

Sein Stichwort lautet „Quantenmetrik“. Sie gehört zur Quantengeometrie und beschreibt geometrische Eigenschaften von Quantenzuständen. Das lässt sich nur bedingt mit der vertrauten Geometrie vergleichen. Es geht nicht darum, dass ein Elektron durch einen gekrümmten Raum fliegt wie ein Satellit um einen Planeten. Sala betrachtet vielmehr den sogenannten Impulsraum, in dem der Zustand eines Elektrons beschrieben werden kann.

Auch dort können geometrische Eigenschaften eine Rolle spielen. Theoretische Arbeiten legen nahe, dass die Quantenmetrik die Bewegung von Elektronen beeinflussen kann. Sala möchte nun wissen, ob sich daraus messbare spintronische Effekte ergeben.

Die Idee für das Projekt hat viel mit seinem eigenen wissenschaftlichen Werdegang zu tun. Während seiner Promotion an der ETH Zürich beschäftigte er sich mit Spintronik und Magnetismus. Als Postdoktorand an der Universität Genf wandte er sich der Quantengeometrie zu. Aus der Verbindung beider Gebiete entstand die Frage, ob die Quantengeometrie spintronische Phänomene hervorbringen könnte, die bisher übersehen wurden. Es geht also nicht darum, eine bekannte Technologie mit einem neuen Etikett zu versehen. Sala sucht nach einem Effekt, der experimentell bislang kaum untersucht wurde.

Kleine Proben, grosse Magnetfelder

Die Experimente werden entsprechend anspruchsvoll. Sala und sein Team wollen unter anderem topologische Materialien untersuchen. Bei solchen Materialien können sich elektrische Eigenschaften an der Oberfläche deutlich von denen im Inneren unterscheiden. Auch Oxidverbindungen und zweidimensionale Materialien wie Graphen stehen auf dem Programm.

Für die Messungen bekommt das PSI einen speziellen Kryostaten. Das ist ein Gerät, mit dem sich sehr tiefe Temperaturen erzeugen lassen. Gleichzeitig können darin starke Magnetfelder angelegt werden. Die Proben sind nur wenige Mikrometer groß. Durch sie wird ein elektrischer Strom geschickt. Die Forscher messen, wie sich die Elektronen dabei verhalten und in welche Richtung sie abgelenkt werden.

Besonders achten sie auf sogenannte nichtlineare Effekte. Gemeint sind Situationen, in denen eine kleine Veränderung der Spannung oder des Magnetfeldes zu einer verhältnismäßig großen Veränderung des gemessenen Signals führt. In solchen Abweichungen könnten sich Spuren der Quantenmetrik zeigen.

Die nötige Infrastruktur ist am PSI bereits vorhanden. Für die Herstellung und Untersuchung der winzigen Strukturen kann Sala unter anderem die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und den neuen Reinraum PICO nutzen. Auch die Neutronenquelle SINQ gehört zur Infrastruktur des Instituts. Mit dem ERC-Geld kann Sala zwei Doktoranden und einen Postdoktoranden einstellen. Die Forschung wird damit nicht von einem Einzelnen betrieben, sondern von einer kleinen Gruppe, die über mehrere Jahre hinweg systematisch nach dem gesuchten Effekt suchen kann.

Was daraus einmal werden könnte

An diesem Punkt ist allerdings Vorsicht angebracht. Die Verbindung von Quantengeometrie und Spintronik ist ein Forschungsansatz, keine fertige Technologie. Das PSI nennt als mögliche langfristige Anwendungen unter anderem leistungsfähigere spintronische Speicher, sogenannte MRAM, sowie Prozessoren, die sich bestimmte Prinzipien neuronaler Verarbeitung zunutze machen könnten. Auch die Gewinnung kleiner Energiemengen aus elektromagnetischen Wellen wird als mögliche Perspektive genannt.

Ob etwas davon tatsächlich entsteht, hängt zunächst von einem viel unspektakuläreren Ergebnis ab: Sala muss zeigen, dass die gesuchte Verbindung experimentell nachweisbar ist. Das ist bei Grundlagenforschung der entscheidende Schritt. Ein Effekt muss sich reproduzieren lassen, bevor man darüber nachdenken kann, ihn technisch zu nutzen.

Die Spintronik selbst liefert dafür ein gutes Beispiel. Der Riesenmagnetowiderstand war zunächst eine Entdeckung in der Grundlagenforschung. Erst später wurde daraus eine Technologie, die einen Beitrag dazu leistete, die Speicherkapazität von Festplatten deutlich zu erhöhen. Bei Q-GEOMSPIN ist der Ausgang weniger klar. Vielleicht findet Sala den erwarteten Effekt. Vielleicht ist er schwächer als theoretisch angenommen. Vielleicht führt das Experiment zu einer Beobachtung, die mit den bisherigen Vorstellungen gar nicht vereinbar ist.

Für einen Grundlagenforscher sind auch solche Ergebnisse wertvoll. Denn zunächst geht es in Villigen nicht um den nächsten Computerchip. Es geht um eine viel kleinere Frage: Was geschieht mit einem Elektron, wenn die Geometrie seiner Quantenwelt ins Spiel kommt?

Die Antwort darauf könnte eines Tages technisch interessant werden. Im Moment ist sie vor allem eines: unbekannt.