In einem winzigen Kristall kann eine Milliardstelsekunde eine lange Zeit sein. Ein Forschungsteam am Paul Scherrer Institut (PSI) hat verfolgt, wie magnetische Anregungen in Kupferoxid entstehen, ihre Energie untereinander verteilen und schließlich das Kristallgitter in Schwingung versetzen. Überraschend war, wie spät dieser letzte Schritt einsetzt. Das eröffnet einen Ansatz für Materialien, in denen sich magnetische Signale gezielter steuern lassen.
Das PSI stellte die Ergebnisse am 19. Oktober vor. Die zugehörige Studie von Arnau Romaguera und Kollegen erschien bereits am 29. September als akzeptierte Vorabfassung in Nature Communications. Im Mittelpunkt steht eine Frage, die für mögliche künftige Rechenbausteine wichtig ist: Wie lange bleibt Energie in einer magnetischen Anregung, bevor sie ins übrige Material abfließt?
Eine Welle, bei der die Elektronen am Platz bleiben
Elektronen besitzen einen Spin, eine quantenmechanische Eigenschaft, die mit einem magnetischen Moment verbunden ist. Anschaulich lässt sich die magnetische Ordnung eines Festkörpers als Muster winziger Kompassnadeln vorstellen. Wird dieses Muster gestört, kann sich die Störung als Spinwelle durch das Material ausbreiten. Die Elektronen müssen dafür nicht wie bei einem elektrischen Strom durch den Kristall wandern.
Ein vertrauter Vergleich ist die La-Ola-Welle im Stadion: Die Bewegung läuft durch die Ränge, während jeder Zuschauer an seinem Platz bleibt. Bei einer Spinwelle verändert sich entsprechend die Ausrichtung der magnetischen Momente. Ihre quantisierten Anregungen heißen Magnonen. Solche Wellen könnten Informationen transportieren; damit beschäftigt sich die Spintronik.
Doch jede Information braucht ein ausreichend beständiges Signal. Gibt eine Spinwelle ihre Energie rasch an andere Bewegungen im Material ab, wird ihre gezielte Nutzung schwieriger. Genau deshalb ist das Zusammenspiel mit dem Kristallgitter interessant. Dessen Atome können schwingen; die zugehörigen quantisierten Anregungen heißen Phononen.
Drei Etappen auf einer extrem kurzen Zeitskala
Die Forschenden wählten Kupferoxid, weil darin Magnetismus und Gitterschwingungen stark miteinander wechselwirken. Ein kurzer optischer Laserpuls regte zunächst Elektronen an und brachte die magnetische Ordnung durcheinander. Innerhalb von Femtosekunden entstanden nichtthermische Magnonen: Ihre Verteilung entsprach zunächst keinem gemeinsamen thermischen Gleichgewicht.
Danach verteilten die Magnonen durch gegenseitige Streuung Energie um. Dieser Vorgang spielte sich auf der Skala von Pikosekunden ab. Erst auf der längeren Nanosekundenskala folgte die Erholung durch Energieübertragung an Gitterschwingungen. Eine Femtosekunde ist eine Billiardstelsekunde, eine Pikosekunde eine Billionstelsekunde und eine Nanosekunde eine Milliardstelsekunde. Jede dieser Zeiteinheiten ist tausendmal länger als die vorherige.
Die starke Verbindung zwischen Magnetismus und Gitter führte also nicht zu einer sofortigen Energieabgabe. Entscheidend sind die Beziehungen zwischen Energie und Impuls der jeweiligen Anregungen. Sie passen bei Magnonen und Phononen unterschiedlich zusammen. Dadurch entstehen Engpässe: Bestimmte Übertragungswege funktionieren günstiger als andere. Die Studie verfolgt diese Abhängigkeit vom Impuls und erklärt damit, weshalb die magnetischen Anregungen vergleichsweise lange bestehen.
Der Röntgenpuls liefert die Momentaufnahme
Um diesen Ablauf sichtbar zu machen, kombinierten die Forschenden mehrere Röntgenverfahren. Auf den anregenden optischen Puls folgte ein Röntgenpuls als Messsonde. Veränderten sie den Abstand zwischen beiden, erhielten sie Einblicke in unterschiedliche Stadien nach der Anregung. Viele solcher Momentaufnahmen erschließen die zeitliche Entwicklung.
An der Furka-Experimentierstation des Röntgenlasers SwissFEL nutzte das Team dabei zeitaufgelöste resonante diffuse Streuung. Weitere Messungen am ESRF in Grenoble und quantenkinetische Simulationen ergänzten das Bild. Der Gewinn liegt in der Verbindung: Elektronische, magnetische und Gitteranregungen lassen sich als zusammenhängender Energiefluss untersuchen.
Für die Materialentwicklung ergibt sich daraus eine konkrete Stellschraube. Wer die möglichen Energie- und Impulszustände beeinflusst, könnte auch steuern, wie schnell magnetische Anregungen abklingen. Auf diesem Weg sollen sich künftig Zeitfenster für kontrollierte Operationen schaffen lassen. Die Arbeit untersucht dafür zunächst die mikroskopischen Vorgänge im Kupferoxid. Wie brauchbar ein magnetisches Signal ist, entscheidet sich hier daran, wohin seine Energie als Nächstes gelangen kann.
Quellen
- Paul Scherrer Institut / Dirk Eidemüller: Röntgenlicht deckt Wechselspiel von Quasiteilchen im Festkörper auf, 19.10.2026.
- Arnau Romaguera et al.: Hierarchical quasiparticle dynamics in antiferromagnets revealed by time- and momentum-resolved X-ray scattering, Nature Communications, 29.09.2026.
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