Spin-Eis: Magnetischer Spin für sparsames Rechnen

Schweizer Wissenschaftlern gelingt die Fertigung von Spin-Eis mit einfacher Struktur - ein erster Schritt zu sparsameren Supercomputern.

Artikel veröffentlicht am 11. April 2022, 15:18 Uhr, Johannes Hiltscher

Der magnetische Spin mancher Materialien wird nur durch Einfrieren fixiert - wie bei Eis. (Bild: Wikimedia Commons/CC-BY 4.0)

Spin-Eis-Materialien haben nicht nur einen seltsamen Namen. Auch ihre Eigenschaft, in Abhängigkeit von der Temperatur eine magnetische Struktur auszubilden, ist seltsam. Darüber hinaus bilden sie magnetische Monopole, also einen einzelnen Nord- oder Südpol.

Materialien mit solchen Eigenschaften könnten die energieeffiziente Lösung komplexer mathematischer Probleme ermöglichen. Forschern vom Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) ist es gelungen, Spin-Eis-Verhalten bei einer einfachen zweidimensionalen Struktur nachzuweisen.

Spin-Eis-Materialien sind seit etwa 25 Jahren bekannt, die Forschungsgruppe vom PSI arbeitet selbst seit Jahren daran. Erstmals nachgewiesen wurde das Verhalten an Verbindungen mit seltenen Erden.

Aus Nanodraht gesponnen

Künstlich hergestellte Strukturen müssen extrem klein sein, nur dann zeigt sich der Spin-Eis-Effekt. Bisher gelang ein Nachweis nur mit anspruchsvoller, dreidimensionaler Nanofertigung. Der Nachweis bei einer einfachen zweidimensionalen Struktur verringert den Herstellungsaufwand enorm.

Genutzt wurde das Kagome-Muster, für welches der Effekt theoretisch vorhergesagt wurde. Kagome ist ein japanisches Flechtmuster und beschreibt die Anordnung interagierender Nanomagnete als sechseckige Wabenstruktur. Durch die jeweils drei aufeinandertreffenden Kanten beeinflussen zwei Magnete den dritten ähnlich wie bei einem Logikgatter. Jede Kante ist ein winziger Magnet, einen halben μm lang und einen sechstel μm breit.

Gefertigt wurde die Struktur mit Halbleitertechnik. Auf einen Siliziumwafer wurde eine Schicht aus μ-Metall aufgebracht und die Magnete herausgeätzt.

Trick bei Fertigung ermöglicht Nachweis

Um nachweisen zu können, dass die Struktur ein Spin-Eis darstellt, wurden die einzelnen Magnete durch winzige Brücken verbunden. Diese ermöglichen in Verbindung mit dem am PSI installierten Synchrotron Swiss Light Source (SLS) eine Beobachtung der magnetischen Wechselwirkung. Gleichzeitig mussten sie allerdings so klein sein, dass sie keinen relevanten Einfluss auf das Verhalten der Magnete haben. Mit lediglich zehn Nanometer Breite reizten sie die Möglichkeiten der hauseigenen Fertigungsanlagen aus.

Dass die Beobachtungen tatsächlich ein Spin-Eis zeigten, konnte allerdings erst der Vergleich mit einer Simulation zeigen. Die Beobachtung mit dem SLS ergab ein Video, aus dem auf die Ausrichtung der einzelnen Magnete geschlossen werden konnte. Erst die theoretische Voraussage, wie sich die magnetische Struktur beim Einfrieren entwickelt, erlaubte den Rückschluss, dass ein Spin-Eis-Effekt beobachtet wurde. Alle Details sind bei Nature Physics veröffentlicht.

Was ist Spin-Eis - und was kann es?

Spin-Eis basiert auf dem magnetischen Moment, Spin genannt, der Ionen in einem Kristallgitter. Benachbarte Ionen beeinflussen sich gegenseitig. Das Besondere ist, dass aufgrund der Gitterstruktur kein einzelner energieminimaler Zustand existiert. Dies wird als geometrische Frustration bezeichnet. Dabei zwingt ein vorgegebener Spin an zwei Ionen ein drittes in eine bestimmte Richtung.

Die Bezeichnung Spin-Eis rührt daher, dass die Sauerstoffatome in Wassermolekülen ebenfalls frustriert sind. Sie wechselwirken mit vier Wasserstoffatomen, allerdings unterschiedlich stark. Dadurch bildet sich im flüssigen Wasser eine teilweise, variable Ordnung, die beim Gefrieren als Kristall Gestalt annimmt. So können beispielsweise Schneeflocken trotz gleicher Grundstruktur verschieden aussehen.

Genau so verhält es sich mit dem magnetischen Spin bei Spin-Eis-Materialien. Erst beim Abkühlen, meist nur knapp über null Kelvin, werden die einzelnen Spins fixiert. Vorher sind sie variabel, die Struktur fluktuiert. Werden die Spins fixiert, ergibt sich wie bei einem Eiskristall ein zufälliges, aber nach festen Regeln geformtes Muster.

Gelingt es, einzelne der Spins zu fixieren, kann man damit rechnen. Als ein möglicher Anwendungsfall gilt Reservoir Computing, ein Ansatz zur Verringerung der Trainingsparameter bei neuronalen Netzen. Um Spin-Eis tatsächlich für Berechnungen nutzen zu können, fehlen noch einige Puzzlestücke. Die Arbeit des Schweizer Teams zeigt allerdings, dass zumindest die Grundstrukturen wesentlich einfacher hergestellt werden können als bislang angenommen.