Spintronik plus Quanten: PSI-Forscher erhält bedeutende Förderung

Der PSI-Physiker Giacomo Sala hat eine der begehrten Förderungen des Europäischen Forschungsrats ERC zugesprochen bekommen – einen sogenannten Starting Grant. Der ERC unterstützt Salas Projekt Q-GEOMSPIN mit 2,3 Millionen Euro (rund 2,2 Millionen CHF) über die kommenden fünf Jahre. Da die Schweiz seit Ende 2025 wieder voll mit den Forschungsförderungsprogrammen der Europäischen Union assoziiert ist, erhält Sala diese Finanzierung direkt vom ERC.

Das Aussergewöhnliche an Salas Vorstoss ist die Kombination zweier Forschungsgebiete – Spintronik und Quantengeometrie – zu einem neuen Forschungsfeld. Die Erkenntnisse daraus könnten langfristig neue Möglichkeiten für spintronische Datenspeicher eröffnen. Zudem könnten sie helfen, kleine Energiemengen zu gewinnen und neue Materialeigenschaften zu entwickeln.

Die Idee für Q-GEOMSPIN entstand während zweier Stationen in Salas bisheriger wissenschaftlicher Laufbahn. Während seiner Promotion an der ETH Zürich erforschte er Spintronik und Magnetismus. Etwas später, als Postdoktorand an der Universität Genf, wandte er sich der Quantengeometrie zu. Die Verbindung beider Perspektiven brachte ihn auf die Frage, ob die Quantengeometrie bislang übersehene spintronische Effekte hervorbringt. «Soweit ich weiss, hat bisher niemand experimentell diese beiden Felder verknüpft », sagt der Experimentalphysiker vom Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI.

Ein weisser Fleck auf der Spintronik-Landkarte

Die Spintronik ist ein seit dreissig Jahren etabliertes wissenschaftliches Gebiet. Ihre Bedeutung wurde unterstrichen durch einen Physiknobelpreis, der im Jahr 2007 für ihre Erforschung vergeben wurde. Die Spintronik macht sich den Spin – die Eigenrotation – von Elektronen zunutze, um Informationen zu speichern.

In den letzten Jahren hat sich jedoch gezeigt, dass die Spintronik sozusagen noch einen weissen Fleck auf ihrer Landkarte hat: Arbeiten in der theoretischen Physik deuten darauf hin, dass sich bestimmte spintronische Phänomene mit der jungen Quantengeometrie vorhersagen, verstehen und kontrollieren lassen. Konkret geht es um ein Teilgebiet der Quantengeometrie: die Quantenmetrik.

Um die Idee der Quantenmetrik zu veranschaulichen, nutzt Sala eine Analogie: die Gravitation. Die Gravitationskraft sorgt dafür, dass die Erde um die Sonne kreist. Laut Albert Einstein ist die korrekte Erklärung dafür aber eine Krümmung des Raums, verursacht durch die Masse der Sonne. «So ähnlich ist es für Elektronen, wenn sie sich durch einen Festkörper bewegen», so Sala. Aufgrund der Quantenmetrik krümmt sich der Impulsraum. Dies «spüren» die Elektronen und werden entsprechend abgelenkt.

Giacomo Sala wird von der nun zugesprochenen Förderung zwei Promovierende und eine Person auf Postdoktorats-Niveau einstellen können. Gemeinsam mit diesem kleinen Team wird er im Rahmen von Q-GEOMSPIN unter anderem topologische Materialien untersuchen. Das sind Festkörper, die im Inneren Isolatoren sind, an der Oberfläche dagegen elektrischen Strom leiten. Ebenfalls auf dem Programm stehen oxidische Verbindungen und zweidimensionale sogenannte Van-der-Waals-Materialien wie Graphen.

Synchrotronlicht und Nanotechnologie: Das PSI bietet die nötige Infrastruktur

Sala und sein Team werden dabei Strukturen herstellen und messen, die nur wenige Mikrometer klein sind. Diese werden nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt (minus273,15 Grad Celsius) abgekühlt. Dafür schafft das PSI mit den ERC-Mitteln einen besonderen Kryostaten an: ein Kühlgerät, das auch starke Magnetfelder erzeugt. Darin wird ein elektrischer Strom durch die Probe geschickt und die Ablenkung der Elektronen gemessen. Dabei suchen die Forschenden gezielt nach nichtlinearen Effekten, wenn also kleine Variationen der Spannung oder des Magnetfelds zu grossen Änderungen in der Messung führen. In diesen Abweichungen erwarten sie Hinweise auf die Quantengeometrie.

Dass Sala für sein Vorhaben ans PSI gekommen ist, hat mit dessen strategischer Forschungsausrichtung und einzigartiger Infrastruktur zu tun. Am neuen «Quantum Matter and Materials Center» am PSI, kurz QMMC, kommt die Arbeit verschiedener PSI-Forschungsgruppen im Bereich der Quantenmaterie und -materialien zusammen. Q-GEOMSPIN passt hervorragend in diesen neuen Knotenpunkt der Quantenforschung.

So bietet das PSI auch alle Einrichtungen, die Sala und sein Team benötigen werden, um Materialien herzustellen und zu charakterisieren, Mikrobauelemente zu fertigen und um bei tiefen Temperaturen Messungen durchzuführen. Unter anderem wird das Team die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS nutzen sowie den neuen PSI-Reinraum «PICO», der von der Forschungsgruppe für Nanotechnologie geführt wird und für die Fertigung der winzigen Bauelemente bestens geeignet ist. Auch die Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ des PSI könnte interessante Möglichkeiten für ihre Forschung bieten.

Q-GEOMSPIN könnte der Spintronik endlich einen grossen Durchbruch verschaffen. Mit Ausnahme des Riesenmagnetowiderstands, der in den 1980ern entdeckt wurde und bald darauf die Speicherdichte von Computerfestplatten vervielfacht hat, sind kommerzielle Anwendungen bisher rar. Auf der Wunschliste stehen nun leistungsfähigere spintronische Speicher (MRAM) oder Computerprozessoren, die nach dem Vorbild des Gehirns arbeiten. Auch exotische Ideen wie das Einsammeln von Energie aus ungenutzten WLAN-Funkwellen werden diskutiert. Giacomo Sala bleibt realistisch: «Q-GEOMSPIN ist reine Grundlagenforschung. Aber die ist wichtig, um daraus Anwendungen zu entwickeln.»

Text: Bernd Müller

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation und Grundlagen der Natur. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2300 Mitarbeitende und ist damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 450 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Kontakt

Dr. Giacomo Sala
PSI Center for Neutron and Muon Sciences
Paul Scherrer Institut PSI
+41 56 310 48 70
giacomo.sala@psi.ch
[Englisch, Französisch, Italienisch, Deutsch]

Zur Medienmitteilung