Spintronik: Neue Potenziale für Smartphones, Computer und Co.

00:00:05: Der Energiehunger unserer digitalen Welt wächst rasant und die herkömmliche Elektronik stößt an ihre Grenzen.

00:00:13: Ein bisher kaum genutztes Prinzip der Physik könnte Computer jetzt grundlegend effizienter machen und den Stromverbrauch drastisch senken.

00:00:24: Minds of Mainz - Der Gutenberg-Talk.

00:00:27: Ein Forschungspodcast der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

00:00:34: Herzlich willkommen zum Forschungspodcast der JGU.

00:00:37: Mein Name ist Lawrence Meinig und ich freue mich sehr, Sie durch das Format zu führen.

00:00:42: In dieser Podcastreihe öffne ich Ihnen das Tor zur Welt der Wissenschaft an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

00:00:48: Ich nehme Sie mit auf eine Entdeckungsreise zu den unterschiedlichsten Disziplinen und deren wissenschaftlichen Themen und Fragestellungen.

00:00:55: Gemeinsam lernen wir die Forschenden der Universität kennen.

00:00:58: Wie arbeiten sie und welche Erkenntnisse gewinnen sie?

00:01:05: Wenn wir an moderne Elektronik denken, geht es fast immer um elektrische Ladung,

00:01:10: winzige Teilchen, die durch Materialien fließen und so unsere Smartphones, Computer und Netzwerke antreiben.

00:01:17: Doch in der Forschung zeichnet sich seit einigen Jahren ein neuer Ansatz ab.

00:01:20: Einer, der ein zusätzliches, oft übersehendes Merkmal von Elektronen nutzt:

00:01:25: ihren Spin.

00:01:26: Genau hier setzt die Spintronik an.

00:01:29: Statt ausschließlich mit Stromflüssen zu arbeiten, macht sie sich quantenmechanische Eigenschaften von Elektronen zunutze.

00:01:35: Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten.

00:01:38: Daten können stabiler gespeichert, Prozesse deutlich energieeffizienter gestaltet und Bauteile kleiner und leistungsfähiger werden,

00:01:46: von Rechenzentren bis hin zu Alltagsgeräten.

00:01:49: Darüber spreche ich heute mit Professorin Angela Wittmann.

00:01:53: Sie ist Professorin für Physik an der JGU und beschäftigt sich schon seit ihrer Zeit als Studentin mit der Spintronik.

00:02:01: Ich würde direkt zu Beginn gerne eine wichtige Grundlage Ihrer Arbeit klären.

00:02:06: Zusammen mit Ihrer Arbeitsgruppe forschen Sie ja zu Spintronik.

00:02:09: Und wenn ich es richtig verstanden habe, beschäftigt sich die Spintronik mit einer Eigenschaft von Elektronen, von der die meisten nichts wissen, nämlich mit diesem Spin.

00:02:17: Und diesen Spin kann man auf andere Weise beeinflussen als die herkömmliche Ladung, die wir alle vom tagtäglichen Strom kennen.

00:02:25: Ist das ungefähr richtig? Habe ich das richtig verstanden?

00:02:28: Ja, absolut.

00:02:29: Also bei uns geht es um Elektronenspin und auch ein bisschen um die Elektronik.

00:02:36: Also Elektronik im herkömmlichen Sinn kennt man ja so aus elektronischen Geräten, auch Ladungsstrom, der durch die Glühbirne fließt und so weiter.

00:02:45: Aber wir wollen uns eben jetzt anschauen, was Elektronen noch so können.

00:02:49: Und Elektronen kennt man vielleicht noch so aus der Schule, haben eine Masse, haben eine Ladung und diese Ladung verwenden wir in der Elektronik.

00:02:57: Was wir aber seit der Quantenmechanik wissen, also seit ungefähr 100 Jahren, ist, dass Elektronen nicht nur Ladung und Masse haben, sondern eben auch noch diese

00:03:07: quantenmechanische Eigenschaft von Spin.

00:03:11: Aber was ich ganz gerne dafür verwende, ist zum Beispiel ein Kreisel.

00:03:16: Man weiß, man kann den entweder rechts rumdrehen oder links rumdrehen, aber es gibt nicht eine Mischung dazwischen.

00:03:22: Genauso ist es eben auch mit dem Spin.

00:03:25: Der kann entweder nach oben oder nach unten zeigen, aber nichts dazwischen.

00:03:29: Und diese Eigenschaft, von entweder nach oben zeigen oder nach unten zeigen, können wir eben jetzt ausnutzen dafür, dass wir Informationen nicht nur drin speichern können,

00:03:38: wie in der Elektronik, ob jetzt eine Ladung fließt, also ein Elektron fließt oder nicht, sondern eben auch jetzt in der Richtung die Information speichern.

00:03:47: Also, ob der Spin jetzt nach oben zeigt oder nach unten zeigt.

00:03:50: Ist dann Ihr letztendliches Ziel, trotzdem damit Strom zu erzeugen?

00:03:56: Genau, Strom ist ja immer ein Transport von etwas, zum Beispiel Transport von Information.

00:04:04: Wenn wir jetzt ein elektronisches Gerät haben, wollen wir zum Beispiel Information speichern oder wir wollen die Information von einem Transistor zum nächsten bringen.

00:04:13: Und dieser Fluss von Information ist genau das, was uns auch eben interessiert.

00:04:18: Aber hier interessieren wir uns jetzt nicht nur für Ladungsstrom, sondern eben jetzt auch für Strom von diesem Drehimpuls, von diesem Spin.

00:04:26: Ich verbinde das jetzt irgendwie mit Kernfusion, das ist ja auch so ein Thema, wo man sagt, wenn das irgendwann mal funktioniert, dann kriegt man extrem viel mehr Energie.

00:04:35: Ist das beim Spin ähnlich, dass das so viel effektiver sein kann dann?

00:04:39: Es hat tatsächlich sehr, sehr viel Potenzial, weil man sich überlegen kann, wenn man Elektronenstrom haben muss, also Ladungsstrom, braucht man leitfähige Materialien.

00:04:49: Wir brauchen zum Beispiel Metalle und diese Metalle können sehr teuer sein.

00:04:53: Wenn man jetzt gerade auch mal so Edelmetalle anschaut, kommt ja ab und zu mal in der Politik vor.

00:04:59: Und was wir mit Spin-Strömen eben erreichen wollen, ist, dass man jetzt nicht nur in leitfähigen Materialien diese Ströme von Informationsfluss verbreiten kann,

00:05:08: sondern eben auch, dass man Spin-Ströme in Isolatoren zum Beispiel haben kann, ohne dass man diese Ladungsträger hat,

00:05:14: aber immer noch diese Spin-Information in einem Strom sich verbreiten können.

00:05:19: Das ist wirklich spannend.

00:05:22: Um jetzt weiterzukommen, tatsächlich, wir kommen bestimmt noch mal mehrfach auf den Spin auch zu sprechen.

00:05:27: Sie beschäftigen sich ja schon seit einer ganzen Weile mit der Spintronik, mit diesen Spins.

00:05:31: Bevor Sie an die Uni Mainz gekommen sind, haben Sie ja schon in Cambridge und am MIT dazu geforscht.

00:05:37: Was ist denn für Sie so faszinierend an diesen Spins?

00:05:40: Was ich an den Spins tatsächlich sehr faszinierend finde, ist, dass es so eine quantenmechanische Eigenschaft ist, wie wir gerade schon besprochen haben.

00:05:48: Dadurch, dass sie sehr oft mit Magnetismus zusammen interagiert, können wir ein sehr klassisches Bild davon eigentlich haben.

00:05:55: Also vieles kann man darüber erklären, dass man sich den Spin einfach so über einen Pfeil, der nach oben oder nach unten zeigt, darstellen lässt.

00:06:03: Das finde ich echt faszinierend, dass wir mit so einem klassischen Bild von einem Pfeil, der nach oben oder unten zeigen kann,

00:06:11: eine so intrinsisch-quantenmechanische Eigenschaft beschreiben können.

00:06:16: Das andere finde ich auch spannend, dass wir sehr viele Konzepte, die wir aus der Elektronik kennen, also mit Ladungsstrom,

00:06:23: eigentlich wirklich eins zu eins auf Spins anwenden können.

00:06:27: Und dann können wir das Gleiche auch nicht nur über Ladungsstrom, dann auch zum Beispiel über Wärmestrom und so weiter uns anschauen.

00:06:34: Und da gibt es so viele schöne Parallelen, die die ganze Physik

00:06:38: irgendwie so bisschen zusammenweben, dass es wirklich ein schöner Teppich wird.

00:06:42: Welche Rolle könnte diese Forschung denn im Kontext von der Energiekrise und vom Klimawandel spielen?

00:06:48: Ich habe jetzt mehrfach gelesen, dass das einen engen Zusammenhang hat und dass das eine richtige Zukunftstechnologie sein könnte.

00:06:56: Das ist tatsächlich einer der Hauptfaktoren, warum wir uns für diese Richtung interessieren.

00:07:01: Wenn wir uns einmal anschauen, wie viel elektronische Geräte und zum Beispiel die "Data Centers" und so weiter an Energie brauchen,

00:07:08: sind wir im Moment schon bei so ein paar Prozent, wenn wir den globalen Energieverbrauch anschauen.

00:07:15: Und das klingt jetzt noch nicht nach sehr, sehr viel.

00:07:18: Aber wenn wir uns anschauen, wie sich das über die letzten Jahre verhalten hat, sehen wir,

00:07:24: dass es tatsächlich ein exponentielles Wachstum ist, in diesem Sektor.

00:07:28: Also, dass diese Informationstechnologie exponentiellen Energiebedarf hat, tatsächlich.

00:07:34: Spätestens seit Corona, glaube ich, wissen wir alle, wie schnell exponentielles Wachstum funktioniert.

00:07:39: Also dass es unglaublich viel Energie auch in der Zukunft kosten wird, wenn wir weiterhin nicht unsere Ansprüche an zum Beispiel AI runterschrauben.

00:07:53: Nach Berechnungen der Internationalen Energieagentur könnte sich der weltweite Strombedarf von Rechenzentren, also Data Centers, bis zum Jahr 2030 verdoppeln.

00:08:05: Aktuell liegt dieser noch bei 1,5 Prozent des globalen Stromverbrauchs.

00:08:10: Durch den enormen Ausbau von sogenannten beschleunigten Servern wird sich diese Zahl aber enorm steigern.

00:08:16: Die beschleunigten oder auch Accelerated Server

00:08:20: spielen eine wichtige Rolle für Training und Anwendung von Künstlicher Intelligenz.

00:08:26: Laut der Prognose wird der globale Betrieb von Rechenzentren künftig mehr Energie verbrauchen als etwa der Betrieb von Heizungen.

00:08:34: Damit bleibt dieser Sektor aber noch weit zurück hinter dem Stromverbrauch der Industrie, der Elektromobilität, durch Haushaltsgeräte oder Raumkühlung.

00:08:44: Trotzdem stellt dieses Wachstum mit bisher 12 Prozent pro Jahr

00:08:48: eine immense Herausforderung da.

00:08:52: Unsere Herangehensweise ist tatsächlich nicht zu sagen, wir müssen jetzt unbedingt die Elektronik oder den Gebrauch von Elektronik minimieren.

00:09:00: Also wir können weiterhin unsere Katzenvideos von ChatGPT herstellen lassen.

00:09:05: Aber was wir tatsächlich uns anschauen wollen, ist, wie können wir diesen Energieverbrauch von diesen Datenzentren

00:09:13: und dann eben auch von unseren elektronischen Geräten stark minimieren?

00:09:18: Wie können wir Computing,

00:09:20: also die Rechenleistung sehr, sehr viel stärker machen und gleichzeitig energieeffizienter machen.

00:09:27: Und da kommt jetzt eben diese Idee auf, dass die CMOS-Technologie, auf der die Elektronik heutzutage basiert, wirklich an ihre Grenzen kommt.

00:09:36: Aber wir hoffentlich jetzt mit Spintronik einen neuen Ansatz gefunden haben, der auch mittlerweile auch schon sehr, sehr vielversprechend ist.

00:09:46: Und da wollen wir jetzt also ansetzen und hoffentlich eines Tages unseren Beitrag leisten können, dass wir wirklich energieeffiziente Technologien haben.

00:09:55: Und das ist jetzt nicht nur Zukunftsmusik, sondern es gibt tatsächlich auch schon einige von den synchronischen Devices, die jetzt auf den Markt gekommen sind.

00:10:04: Also Technologien, die nennen sich zum Beispiel Magnetic RAM, also Random Access Memory: M-RAM.

00:10:11: Und die ist gerade auf den Markt gekommen

00:10:14: und ist sehr, sehr gut, was gerade dieses Low Energy, also sehr energieeffiziente Computing angeht.

00:10:21: Jetzt für mich als jemanden, der da gar nicht aus dem Feld kommt, ich kann mir das jetzt ja auch so vorstellen, wenn ich das richtig verstanden habe, natürlich, dass die Anwendung

00:10:29: von der Spintronik liegt dann nicht in der Stromerzeugung, sondern darin, wie elektronische Geräte ihren Akku verbrauchen.

00:10:37: Und wenn Sie jetzt gerade auch RAM erwähnt haben, das ist ja extrem wichtig auch für die AI-Zukunft, weil das ist ja die Rechenleistung,

00:10:45: die wir dann haben und vor allem brauchen für alle möglichen elektronischen Vorgänge.

00:10:50: Ja, genau. Das ist wirklich im Herzen von sehr, sehr viel Elektronik, die wir verbrauchen oder gebrauchen wollen.

00:10:57: Und damit wollen wir wirklich an den Kernstücken in der Elektronik basteln.

00:11:03: Wir wollen also anschauen, wie können wir das Computing, also die Rechenleistungen, verbessern.

00:11:08: Aber wir wollen uns eben auch vor allem magnetische Materialien anschauen, wie können wir auch die Datenspeicherung,

00:11:15: also Read, Write und Save, uns sehr viel effizienter gestalten.

00:11:21: Es ist ja ein total interessanter Ansatz, weil ich habe mich jetzt auch schon öfter gefragt habe, was kommt denn nach dem Lithium-Ionen-Akku,

00:11:26: den wir jetzt alle überall verbaut haben, sogar in unseren Autos.

00:11:30: Aber Sie setzen damit, mit der Spintronik, jetzt ja an einem ganz anderen Punkt an, nämlich einfach, wie effizient diese Geräte an sich arbeiten.

00:11:36: Also der Akku ist dann sozusagen derselbe, aber der Arbeitsaufwand ist anders.

00:11:41: Genau, also wir schauen uns nicht an, wie wir Energie speichern können, sondern tatsächlich wie wir Informationen speichern und dann eben auch bearbeiten können.

00:11:48: Ich finde das faszinierend.

00:11:51: Auf der Website Ihrer Arbeitsgruppe beschreiben Sie Ihre Forschung.

00:11:55: Und an einer Stelle wird dort auch erwähnt, die herkömmliche ladungsbasierte Elektronik stößt an ihre Grenzen.

00:12:01: Merken wir das ganz konkret in unserem Alltag oder wie kann ich mir das vorstellen?

00:12:06: Ich merke es immer wieder mal.

00:12:09: Mein Laptop wird immer mal wieder sehr, sehr heiß.

00:12:11: Genauso wie mein Smartphone, auch wenn man ein Video anschauen möchte oder wenn man gerade sehr viel Rechenleistung braucht.

00:12:18: Da merkt man z.B. schon die ersten Limitierungen von der Elektronik, dass die Geräte sehr, sehr heiß werden, sehr schnell.

00:12:28: Das hat damit zu tun, dass bei jedem Ladungsstrom natürlich auch immer noch Wärme erzeugt wird.

00:12:33: Das sogenannte Joule Heating.

00:12:36: Das merkt man natürlich sehr, sehr klar an einer alten Glühbirne und das wurde auch schon bei Glühbirnen sehr viel besser.

00:12:42: Aber auch innerhalb von unseren Rechnern kommt es tatsächlich dazu, dass jedes Mal, wenn ein Ladungsstrom fließt, dadurch auch Hitze und Wärme erzeugt wird.

00:12:51: Ein Ansatz jetzt hier in der Spintronik ist, dass wir eben versuchen, nicht mehr Ladung fließen zu lassen und eben mit Isolatoren zu arbeiten.

00:13:01: Dadurch können wir jetzt also diesen Wärmeabfluss oder diese Wärmeerzeugung überhaupt

00:13:06: durch den Strom stark minimieren und so schon eines der großen Probleme hoffentlich lösen.

00:13:13: Das andere von der Effizienz ist natürlich, dass wir manchmal relativ lange warten müssen, bis zum Beispiel unsere Daten auf eine "Hard Drive" geschrieben werden.

00:13:27: Es dauert dann immer schon ein bisschen, vor allem wenn wir größere Daten lenken, zum Beispiel ein Video oder so auf eine "Hard Drive" schreiben möchten.

00:13:35: Da geht es also um Geschwindigkeit, dass wir hier wirklich an die internen Geschwindigkeitsgrenzen kommen, wo wir jetzt uns überlegen müssen,

00:13:43: warum ist das dann so ungefähr bei ein paar Gigahertz überhaupt schon limitiert.

00:13:48: Und das kommt tatsächlich daher, dass wir im Moment Daten, vor allem in diesen "Hard-Disk-Drives", in ferromagnetischen Lagen speichern.

00:13:57: Und die intrinsische Dynamik von Ferromagneten ist tatsächlich einfach im Gigahertz-Bereich.

00:14:02: Das heißt, fundamental kann man nicht mehr schneller gehen.

00:14:05: Wenn wir jetzt aber zu anderen magnetischen Materialien gehen, also zum Beispiel so was wie Antiferromagnete, haben wir kein Streufeld mehr.

00:14:13: Das ist auch schon mal schön, weil man dann nicht mehr so viele Probleme mit Interaktion mit dem Magnetfeld hat.

00:14:20: Aber es erlaubt eben auch dann die intrinsisch viel schnellere Dynamik, also Antiferromagnete sind ungefähr 1.000 Mal schneller, tatsächlich dafür auszunutzen.

00:14:31: Und damit können wir jetzt also

00:14:33: das Schreiben und auch Auslesen von diesen magnetischen Lagen zum Beispiel sehr, sehr viel schneller machen.

00:14:38: Also wir haben jetzt weniger Wärme und schneller hoffentlich, was wir mal machen können.

00:14:45: Und das Dritte wäre dann tatsächlich die Dichte.

00:14:47: Also ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber ich habe immer zu wenig Speicherplatz auf meinem Handy.

00:14:52: Das Problem dabei ist, dass wir im Moment wirklich an die fundamentale Größen von ferromagnetischen Bits kommen.

00:15:00: Das liegt daran, wenn man Ferromagneten hat, dann gibt es davon immer so ein Streufeld.

00:15:06: Wenn wir jetzt zwei Startmagneten haben, dann kann man die, wenn man die nebeneinander bringt, relativ schnell miteinander sprechen lassen.

00:15:14: Also interagieren sie.

00:15:16: Wenn Sie da einfach mal zwei Magnete nehmen und miteinander spielen, merken Sie das sehr schnell, dass es nicht so nah geht, bevor man nicht ein bisschen spürt,

00:15:26: okay, das eine merkt das Magnetfeld von dem anderen Magneten.

00:15:30: Und genauso ist es mit der Datenspeicherung leider auch.

00:15:33: Wenn wir die ferromagnetischen Bits also zu nahe aneinander packen, dann fangen die an miteinander zu sprechen und dadurch verlieren wir manchmal die Information.

00:15:42: Das ist ja auch nicht das, was wir haben wollen.

00:15:44: Also können wir sie nicht so dicht packen.

00:15:47: Aber wenn wir jetzt wieder zu einem Material gehen, was zwar magnetische Ordnung hat, aber kein Streufeld, also sowas zum Beispiel wie die Antiferromagneten,

00:15:55: dann können wir sie sehr viel dichter packen, weil die dann kein Streufeld haben und dann eben nicht so schnell miteinander anfangen zu sprechen.

00:16:02: Was haben diese Antiferromagnete mit Spintronik zu tun?

00:16:07: Spintronik im Generellen beschäftigt sich viel mit magnetischen Materialien.

00:16:13: Und bisher ist es konventionell sehr viel auf Ferromagnetismus basierend, weil wir durch Magnetisierung, also durch Ferromagnetismus, eine sehr effiziente Art haben,

00:16:26: wie wir einen Spin-Strom zum Beispiel erstellen können.

00:16:29: Beim Spin-Strom ist es nämlich so, dass nicht so wie beim Ladungsstrom, können wir einfach eine Spannung anlegen und dann fließt ein Strom.

00:16:38: Aber wir haben nicht das Äquivalent dazu, dass wir so etwas wie eine Spin-Spannung anlegen können und dann fließt jetzt einfach ein Spin-Strom,

00:16:48: sondern wir müssen uns paar Tricks überlegen, wie wir überhaupt dieses Spin-Strom erstellen können.

00:16:53: Und Ferromagnete sind eine sehr einfache Art, das zu machen.

00:16:57: Wir müssen nämlich eigentlich nur wirklich einen Ladungsstrom anlegen und dann fließt mit diesem Ladungsstrom dadurch,

00:17:03: dass wir eine Magnetisierung haben, eben auch einen Spin-Strom.

00:17:08: Aber wie gesagt, Ferromagnete haben ihre Limitierungen und deshalb möchten wir jetzt eben auch zu anderen magnetischen Materialsystemen gehen.

00:17:17: Dadurch, dass sie schneller und eben auch kein Streufeld haben und dass sie auch robuster sind,

00:17:23: sind Antiferromagnete jetzt immer weiter aufgekommen und wir haben versucht, immer mehr Nutzen darauszuziehen.

00:17:30: Aber tatsächlich, sehr, sehr spannend, vor wenigen Jahren

00:17:34: wurde in Mainz eine neue Art von Magnetismus gefunden.

00:17:39: Also wenn man bisher in die Schulbücher geschaut hat und auch in die Lehrbücher in der Physik findet man meistens,

00:17:47: im Magnetismus gibt es Ferromagnete und Antiferromagnete.

00:17:50: Aber in Mainz wurde jetzt gerade vor ein paar Jahren gefunden, dass es eine dritte, fundamental unterschiedliche Art von Magnetismus gibt.

00:17:59: Und die heißt Altermagnetismus.

00:18:01: Das heißt, wir haben jetzt drei unterschiedliche Arten von Magnetismus und das ist so das, womit sich die Spintronik beschäftigt: die magnetischen Materialien,

00:18:09: um eben Spin-Ströme zu erzeugen und dann aber auch eben Informationen zu speichern und zu bearbeiten.

00:18:19: Jetzt haben Sie gerade schon von den verschiedenen Materialien gesprochen.

00:18:22: Da wollte ich tatsächlich auch darauf zu sprechen kommen.

00:18:25: Ganz zentral ist es in Ihrer Arbeit ja auch, dass Sie verschiedene Materialien verwenden, um den Spin zu erforschen und zu beeinflussen.

00:18:32: Mit was arbeiten Sie denn da?

00:18:35: Wir haben uns die Frage gestellt, also magnetische Materialien scheinen ja sehr, sehr gut zu funktionieren, aber da muss man immer auf die magnetische Ordnung zurückgreifen.

00:18:45: Gibt es denn andere Möglichkeiten, Spin-Ströme zu erstellen und damit eben auch zum Beispiel Magnetisierung zu beeinflussen?

00:18:53: Da stellt es sich tatsächlich heraus, dass Chiralität ein sehr gutes Tool dafür ist.

00:19:00: Chiralität ist ein Begriff oder soll ich das nochmal einführen?

00:19:03: Das müsst ihr einführen definitiv.

00:19:05: Okay.

00:19:07: Chiralität ist eigentlich etwas, was wir wirklich von überall kennen.

00:19:11: Chiralität kommt aus dem Griechischen Hand und bedeutet so etwas wie Händigkeit.

00:19:17: Das heißt, die Eigenschaft, dass unsere linke Hand nicht das gleiche ist wie unsere rechte Hand.

00:19:23: Das merkt man eigentlich ganz gut, wenn man zum Beispiel versucht, den falschen Handschuh anzuziehen.

00:19:27: Da merkt man, dass dieses Spiegelbild von unserer Hand, also das Spiegelbild der linken Hand ist die rechte Hand,

00:19:34: zwar genau gleich aussieht und auch die gleichen Längenunterschiede usw. hat.

00:19:41: Aber die Funktion von dem rechten Handschuh ist nur auf der linken Seite die passende.

00:19:46: Und genauso funktioniert das nicht nur mit unseren Händen und den Handschuhen und unseren Füßen und den Schuhen, sondern es funktioniert genauso mit Molekülen.

00:19:56: Also, es gibt zum Beispiel ein Molekül, das nennt sich Carbon.

00:20:01: Die Geometrie davon ist so,

00:20:02: dass es sich tatsächlich in unserer Nase an Rezeptoren binden kann, dass es so wie Kümmel riecht.

00:20:08: Und die andere Drehrichtung von diesem Molekül hat genau die gleichen Atome drin, genau die gleiche Geometrie, nur eben eine andere Drehrichtung von diesem Molekül,

00:20:19: die bindet an Rezeptoren in unserer Nase, das riecht dann wie Pfefferminz.

00:20:24: Und eben diese Chiralität, also diese Drehrichtung von diesen Molekülen oder eben auch von diesen Materialien,

00:20:31: kann also intrinsisch auf dieser ... Ebene Informationen speichern.

00:20:37: Das ist so das, was wir aus der Natur uns als Inspiration geholt haben, um zu überlegen, können wir darin nicht nur Informationen speichern,

00:20:45: sondern eben auch das mit Spin verlinken und eben auch dafür verwenden, einen Spin-Strom zu erstellen.

00:20:52: Da können wir zum Beispiel etwas wie die DNA nehmen.

00:20:55: Das ist ein chirales Molekül, wenn man das vielleicht schon mal gesehen hat,

00:20:58: das ist so eine Helix.

00:20:59: Wenn wir dadurch jetzt einen Ladungsstrom schicken,

00:21:02: bekommen wir tatsächlich am Schluss nicht nur einen Ladungsstrom, sondern eben auch einen Spin-polarisierten Strom.

00:21:07: Also wir haben jetzt einen Ladungsstrom, der jetzt auch eben einen Spin-Strom erzeugen kann.

00:21:13: Und die Ausrichtung von dem Spin, wir erinnern uns, der kann immer nach oben oder nach unten zeigen,

00:21:18: die Ausrichtung, ob der jetzt nach oben oder nach unten zeigt, hängt wirklich nur davon ab, wie die Richtung, die Drehrichtung, von dem Molekül ist.

00:21:27: Also, ob das Molekül sich nach links dreht und dadurch zum Beispiel bei dem Carbon

00:21:32: nach Kümmel riecht oder nach rechts dreht und eben nach Pfefferminz riecht, da können wir jetzt eben auch bestimmen, ob der Spin nach oben oder nach unten zeigt.

00:21:42: Auf Basis dessen suchen Sie sich dann bestimmte Materialien aus, mit denen Sie Versuche machen.

00:21:47: Genau, ja.

00:21:48: Also wir schauen uns eben an, was passiert, wenn wir diese chiralen Moleküle auf magnetische Filme draufwachsen können?

00:21:56: Können wir dadurch einerseits die Magnetisierung kontrollieren, also diese statische Eigenschaft mit magnetischen Materialien beeinflussen?

00:22:04: Und andererseits können wir tatsächlich auch spintronische Eigenschaften von metallischen Schichten, zum Beispiel so etwas wie die Spin- und Ladungsumwandlung,

00:22:15: durch diese Chiralität von den Molekülen beeinflussen.

00:22:20: Und welche magnetischen Materialien verwenden Sie denn aktuell?

00:22:24: Wir arbeiten mit relativ einfachen Ferromagneten, sowas wie Kobalt und Nickel oder Nickeleisenlegierungen,

00:22:32: ein bisschen eben auch zu neuartigen Antiferromagneten oder eben auch diesen Altermagneten.

00:22:38: Also wir haben da eine große Mischung von unterschiedlichen Materialien drin, um eben verstehen zu können, was da tatsächlich passiert.

00:22:46: Also was ich jetzt als Unwissender gehört habe, ist Nickel, Kobalt und Eisen.

00:22:52: Und wenn ich jetzt diese drei Materialien gehört habe, dann ist das aber das, womit Sie vor allem arbeiten.

00:22:58: Bei Ferromagneten stimmt es tatsächlich.

00:23:01: Bei den Altermagneten und Antiferromagneten ist es einfach Eisenoxid, "Hematite".

00:23:07: Das ist also eine sehr spezielle Form von Rost.

00:23:10: Und das ist tatsächlich ein wunderschöner Altermagnet, der sich auch "Hematite" nennt.

00:23:16: Heißt das deswegen Altermagnet, weil das Eisen schon etwas älter und gerostet ist?

00:23:21: Das ist eine schöne Erklärung.

00:23:24: Ist es nicht?

00:23:26: Nah gut,

00:23:28: ich ziehe die Frage ganz galant zurück.

00:23:31: Alles klar.

00:23:33: Das ist eigentlich eine schöne Idee.

00:23:34: Altermagnetismus kommt tatsächlich daher, dass die Spin-Polarisierung, je nachdem in welche Richtung man geht, alternieren kann.

00:23:42: Das war mir natürlich zu 100 Prozent klar.

00:23:46: Wenn Sie jetzt vor allem über Kobalt, Nickel und Eisen sprechen, nach meinem Wissen sind das Materialien, von denen wir jetzt nicht allzu wenig in der Welt haben.

00:23:56: Also das ist dann vielleicht anders als eben Lithium, was man von den Akkus kennt, wo man dann tatsächlich eine Versorgungsknappheit haben könnte.

00:24:04: Ist das auch ein Punkt, ein positiver Punkt vielleicht für Ihre Arbeit?

00:24:07: Ja, absolut.

00:24:09: Also mir geht es wirklich darum, dass wir mit Materialsystemen arbeiten, die in unserer Natur viel vorkommen.

00:24:17: Und das ist mit auch ein Grund, warum wir Richtung Moleküle gehen wollen, weil wir dadurch eben über Synthese organischer Moleküle,

00:24:25: also etwas, was auf Kohlenstoff basierend ist, ausnutzen wollen.

00:24:29: Und wenn wir jetzt also nur schon diese magnetischen Metalle, die relativ häufig vorkommen, aber auch nicht unendlich vorkommen,

00:24:38: durch chirale Moleküle ersetzen können und dadurch eben auch einen Spin-Strom erstellen können, können wir nicht nur einen Beitrag dazu führen,

00:24:47: dass es hoffentlich effizienter wird, sondern eben auch einen Beitrag dazu, dass wir zu kohlenstoffbasierten Materialsystemen gehen können.

00:24:54: Was bedeutet?

00:24:56: Kohlenstoff kommt tatsächlich sehr häufig bei uns in der Natur vor.

00:25:01: Wir sind eben nicht mehr darauf angewiesen, dass Seltene Erden oder spezielle metallische Komponenten in prekären Situationen oder auch Umgebungen geborgen werden müssen.

00:25:14: Und wir Kohlenstoff tatsächlich nur schon z.B. aus der Luft "capturn" können, wenn wir CO2 reduzieren wollen.

00:25:22: Spannend.

00:25:23: Also ich finde das total interessant.

00:25:24: Sie präsentieren mir das ja hier jetzt gerade total …,

00:25:26: also es hat ja schon fast einen Marketing-Charakter,

00:25:28: ich bin total Fan, jetzt schon, und will wissen, wie das in Zukunft weitergeht.

00:25:33: Bevor ich jetzt zu Ihnen recherchiert habe, habe ich davon nichts gehört.

00:25:36: Ist das ein großes Thema in der Physik, dass man dieses Spintronik erforscht, oder ist das eher eine Nebenforschung gerade in Ihrem Feld?

00:25:44: Was ich fairerweise sagen kann, ist, dass sehr viele Leute der Ansicht sind, dass die konventionelle Elektronik wirklich an der fundamentalen Grenze sehr bald ankommen wird

00:25:58: und wir jetzt eben einen Beitrag dazu mit der Spintronik leisten wollen, eine Alternative aufzumachen.

00:26:05: Fairerweise muss man natürlich auch sagen, dass es auch andere sehr, sehr vielversprechende Herangehensweisen gibt.

00:26:12: Da gibt es zum Beispiel die Photonik, also dass man über Licht, das man dann auch auf dem Chip leiten kann, neue Computing-Architekturen entwickeln kann.

00:26:23: Und so gibt es ganz viele "Approachs" eigentlich.

00:26:26: Für mich ist Spintronik tatsächlich, weil es eben so viele Parallelen auch zur Elektronik gibt und so viele spannende Materialsysteme dazu gibt,

00:26:36: eine sehr vielversprechende Möglichkeit da einiges rauszufinden.

00:26:40: Wir sind natürlich jetzt immer noch eher auf der fundamentalen Seite.

00:26:43: Aber etwas, was mir tatsächlich Hoffnung gibt, ist eben diese Kommerzialisierung von "M-RAM-Technologies" zum Beispiel, die jetzt auch auf den Markt gekommen sind.

00:26:52: Ganz wichtig allgemein für so eine Art von Forschung ist ja auch der Austausch mit Menschen auf der ganzen Welt, die zu solchen Themen forschen.

00:26:59: Profitieren Sie in Ihrer Forschung jetzt auch von dem Verbund mit den anderen Rhein-Main-Universitäten?

00:27:05: Haben da auch noch andere vielleicht diese Forschung am Laufen?

00:27:08: Ja, absolut.

00:27:10: Also wir haben ganz wunderbare Kollegen in Frankfurt und Darmstadt und damit zusammen haben wir eigentlich eine sehr, sehr schöne Community,

00:27:17: gerade was es anbelangt, Richtung magnetische Materialien.

00:27:21: Ich habe vorher diese Altermagnete erwähnt, und die sind wirklich gerade zentrales Thema von einem Forschungsverbund zwischen Frankfurt und Mainz.

00:27:32: Und in Darmstadt gibt es ganz wunderbare Forschung zu Permanentmagneten tatsächlich,

00:27:38: wie man ohne Kühlmittel tatsächlich Kühlschränke bauen kann.

00:27:42: Und da gibt es auch eine Ausgründung.

00:27:44: Also da passiert sehr, sehr viel gerade in der RMU, was Richtung Magnetismus und eben auch unsere Quantenmaterialien angeht.

00:27:51: Was die RMU eigentlich ist und welchen Belang das gerade in unserer Rhein-Main-Region hat, dafür haben wir einen kurzen Einspieler.

00:28:03: Die Goethe-Universität Frankfurt am Main, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz und die Technische Universität Darmstadt,

00:28:11: sie bilden seit 2015 die Strategische Allianz der Rhein-Main-Universitäten (RMU).

00:28:19: Mit über 90.000 Studierenden und 1.500 Professuren kooperieren sie eng in Forschung, Studium und Lehre.

00:28:28: Als renommierte Forschungs-Universitäten gestalten sie Frankfurt-Rhein-Main

00:28:33: als integrierte und global sichtbare Wissenschaftsregion.

00:28:38: Jetzt haben Sie schon ganz viele Aspekte angesprochen, inwieweit Ihre Forschung unsere elektronischen Geräte effektiver machen kann.

00:28:45: Haben Sie vielleicht noch andere Aspekte, die Sie dazu nehmen wollen, wie Ihre Forschung unseren Alltag verändern kann?

00:28:53: Was mich wirklich interessiert ist, wie Dinge fundamental funktionieren können.

00:28:59: Gerade mit unseren chiralen Systemen stellen wir uns sehr fundamentale Fragen, von welche Interaktionen können das überhaupt sein,

00:29:07: die so etwas möglich machen, dass diese strukturelle Chiralität von Molekülen die Spins überhaupt so stark beeinflussen können.

00:29:16: Und ich hoffe, wenn wir das herausgefunden haben, wie das überhaupt funktionieren kann,

00:29:22: wir jetzt nicht nur vielleicht bessere spintronische Bausteine machen können, sondern dass es eben dann auch Anwendungen finden kann in ganz unterschiedlichen Bereichen.

00:29:33: Also was ich mir zum Beispiel bei chiralen Systemen gut vorstellen könnte, ist, dass es zum Beispiel für die Pharmaindustrie eine große Auswirkung haben könnte.

00:29:45: Ich glaube, in Deutschland kennt man wahrscheinlich den Contergan-Skandal noch sehr gut.

00:29:51: Was damals tatsächlich passiert ist, ist, dass man nicht vorsichtig war, welche Chiralität das Molekül hatte, das in dem Medikament drin war.

00:30:03: Und dadurch diese verheerenden Folgen zustande kommen konnten.

00:30:08: Total faszinierend.

00:30:09: Das klingt für mich genau nach Wissenschaft in ihrer reinsten Form, dass wir nicht nur neue Erkenntnisse gewinnen, sondern auch in andere Bereiche dann reingehen können.

00:30:17: Das erinnert mich auch total an mein Gespräch mit Professor Czodrowski, mit dem ich dieses Jahr auch schon eine Folge gemacht habe,

00:30:23: der eben auch so fachübergreifend arbeitet und dann neue Erkenntnisse gewinnen kann.

00:30:28: Ganz toll.

00:30:29: Eine Frage, Sie haben es gerade eigentlich auch schon so fast angesprochen, eine Frage, die ich mir schon öfter gestellt habe,

00:30:35: kommen Sie in Ihrer Forschung eigentlich auch mal aus Zufall zu neuen Erkenntnissen?

00:30:40: Dass Sie einfach einen Versuch machen und dann stellen Sie fest, da kommt ja was raus, was ich überhaupt nicht erwartet habe?

00:30:45: Die besten Ergebnisse kommen immer aus den Experimenten, die man vorher nicht so geplant hatte.

00:30:50: Ich glaube, das ist immer so das Erste, was ich versuche, den Studierenden zu vermitteln, wenn sie zum Beispiel für eine Bachelor-Arbeit oder so bei uns anfangen.

00:31:01: Für die Experimente, die wir so planen, ist es immer wichtig, einen Plan zu haben.

00:31:07: Es ist auch wichtig zu wissen, wann man den Plan loslassen muss und einfach in eine spannende Richtung gehen muss.

00:31:14: Es passiert tatsächlich immer wieder mal, dass wir zufällig etwas Spannendes finden.

00:31:18: Man muss natürlich schon ungefähr wissen, in welcher Ecke man suchen muss -

00:31:21: also so ein "educated guess".

00:31:24: Und wenn man dann etwas Spannendes gefunden hat, dann muss man es nehmen und damit rennen und wirklich versuchen rauszufinden, was passiert da.

00:31:32: Manchmal stellt sich heraus, das ist nur irgendwie ein Artefakt und da hat irgendwie mal ein Messgerät nicht ganz so mitgemacht, wie wir es wollten.

00:31:39: Aber manchmal stellt sich auch raus, da finden wir tatsächlich mal was ganz, ganz Neues.

00:31:43: Sehr spannende Physik kann da auch dann tatsächlich rauskommen.

00:31:48: Und ich glaube, das ist bei uns so ein Term dafür, so "Friday afternoon experiments".

00:31:54: Experimente, wo man denkt, das wäre ja mal spannend zu machen, aber das ist ein relativ hohes Risiko und da findet man vielleicht tatsächlich etwas zufällig.

00:32:04: Und das sind dann tatsächlich auch die schönsten Momente, wenn man unerwartet etwas sieht

00:32:11: und dann verstehen muss, was da tatsächlich passiert.

00:32:14: Ich habe noch eine letzte Frage zum Abschluss.

00:32:16: Was würden Sie sich wünschen, dass Nicht-Physiker*innen, so wie ich, über moderne Physik besser verstehen?

00:32:23: Sehr schöne Frage.

00:32:25: Ich glaube, dass es noch sehr, sehr viel zu entdecken gibt.

00:32:29: Und ich glaube, das geht so mit dieser Frage Hand in Hand.

00:32:33: Je mehr man weiß, desto mehr weiß man auch, dass man nichts wirklich weiß.

00:32:39: Also im Sinn davon, dass wir versuchen, in unterschiedliche Richtungen gerade zu gehen, und in den Medien hört man nur über ein, zwei, drei Richtungen vielleicht mal immer wieder was.

00:32:51: Ich glaube, im Moment ist so Richtung Kernfusion gerade was in den Medien, man hört ein bisschen was über Quanten.

00:32:56: Und ich glaube, dass es in sehr, sehr vielen Bereichen unglaublich spannende Wissenschaft gibt.

00:33:03: Dass man aber auch den Wissenschaftlern ein bisschen Zeit geben muss und das nicht alles innerhalb von zehn Jahren leider schon gelöst werden kann.

00:33:11: Aber, dass Physik eben oder allgemein Naturwissenschaften, glaube ich, wirklich an fundamentalen Fragen versucht zu arbeiten,

00:33:19: die hoffentlich eines Tages unser Weltverständnis prägen können, aber eben auch tatsächlich Anwendungen finden können in Bereichen,

00:33:29: die wir uns am Anfang gar nicht so vorstellen können.

00:33:32: Und ich glaube, diese riesige Bereitschaft, diese Bereitschaft auch einfach mal loszugehen in eine Richtung, von der man überzeugt ist,

00:33:40: die könnte tatsächlich sehr viel Potenzial haben.

00:33:43: Dieses Verständnis auch dafür in der Gesellschaft ist wirklich wichtig, glaube ich.

00:33:49: Und das andere glaube ich vor allem für Jüngere, zum Beispiel, die sich gerade überlegen, was soll ich studieren und in welcher Richtung könnte es gehen.

00:33:58: Etwas, was ich da gerne mitteilen möchte, ist, dass tatsächlich Physik eine sehr, sehr gute Basis ist.

00:34:05: Weil man im Studium, in der ganzen Ausbildung eigentlich, nicht nur die fundamentale Physik kennenlernen,

00:34:11: sondern eben auch so bisschen kennenlernt, wie geht man systematisch an ein Problem ran?

00:34:16: Wie können wir ein Problem wirklich stark vereinfachen, ohne dass wir die wichtigen Aspekte dabei verlieren?

00:34:24: Genau das ist tatsächlich auch das, was danach dann im Jobmarkt so wichtig ist,

00:34:29: was dann auch viele Firmen zum Beispiel sehr schätzen, dass man mit einer sehr fundamentalen Ausbildung in der Physik,

00:34:36: obwohl das jetzt nicht unbedingt so anwendungsorientiert klingt, tatsächlich sehr viele Anwendungen finden kann.

00:34:43: Und ich glaube, das ist etwas, was ich gerne der Allgemeinheit so mitteilen möchte,

00:34:49: ist, dass Physik tatsächlich versucht, Systeme zu verstehen und eben auch zu beschreiben.

00:34:56: Professorin Wittmann, vielen Dank für Ihre tollen Antworten und diesen schönen Abschluss.

00:35:03: Das war mein Gespräch mit Professorin Angela Wittmann.

00:35:06: Ich glaube, man hat es mir im Gespräch schon angemerkt, ich bin begeistert vom Prinzip der Spintronik und von Professorin Wittmanns Forschung.

00:35:13: In einer Welt, in der die meisten unserer alltäglichen Arbeiten auf die eine oder andere Art mit elektronischen Prozessen verknüpft sind,

00:35:20: kann es kaum eine wertvollere Innovation geben, als diese Prozesse effektiver zu machen.

00:35:26: Und dabei geht es nicht darum, ungewöhnliche Materialien zu verwenden oder noch größere Geräte zu bauen.

00:35:32: Deshalb hoffe ich, dass wir in Zukunft noch eine Menge von der Spintronik hören werden.