Der Physiker Giacomo Sala vom Paul Scherrer Institut (PSI) erhält einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrats (ERC). Für sein Forschungsprojekt Q-GEOMSPIN stehen ihm 2,3 Millionen Euro beziehungsweise rund 2,2 Millionen Franken über fünf Jahre zur Verfügung. Sala will darin Spintronik und Quantengeometrie miteinander verbinden.
Spintronik trifft auf Quantengeometrie
Spintronik ist ein seit rund drei Jahrzehnten etabliertes Forschungsgebiet. Dabei wird der Spin von Elektronen genutzt, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten. Die Bedeutung der Technologie wurde unter anderem durch den Physik-Nobelpreis von 2007 für Arbeiten zum Riesenmagnetowiderstand unterstrichen.
Giacomo Sala will nun untersuchen, welche neuen Möglichkeiten entstehen, wenn die Spintronik mit der noch jungen Quantengeometrie verbunden wird. Sein Projekt Q-GEOMSPIN könnte langfristig neue Ansätze für spintronische Datenspeicher, energieeffiziente Technologien und die Entwicklung neuartiger Materialien liefern.
Die Idee entstand während verschiedener Stationen in Salas wissenschaftlicher Laufbahn. Während seiner Promotion an der ETH Zürich beschäftigte er sich mit Spintronik und Magnetismus. Später forschte er als Postdoktorand an der Universität Genf zur Quantengeometrie.
Die Verbindung beider Forschungsgebiete führte ihn zu der Frage, ob die Quantengeometrie bisher übersehene spintronische Effekte hervorbringen könnte. Experimentell sei diese Verbindung bislang kaum untersucht worden, erklärt der Physiker vom Zentrum für Neutronen- und Myonenforschung des PSI.
Quantenmetrik als bisher wenig erforschtes Gebiet
Im Mittelpunkt des Projekts steht ein Teilgebiet der Quantengeometrie: die Quantenmetrik. Theoretische Arbeiten deuten darauf hin, dass bestimmte spintronische Phänomene mithilfe der Quantengeometrie vorhergesagt, verstanden und möglicherweise gezielt kontrolliert werden können.
Sala erklärt das Prinzip anhand eines Vergleichs mit der Gravitation. Die Masse der Sonne krümmt nach Einsteins Theorie die Raumzeit und beeinflusst dadurch die Bewegung der Erde. Ähnlich können geometrische Eigenschaften im sogenannten Impulsraum beeinflussen, wie sich Elektronen durch einen Festkörper bewegen.
Die Forschenden wollen diese Zusammenhänge nun experimentell untersuchen. Dafür stehen unter anderem topologische Materialien auf dem Forschungsprogramm. Dabei handelt es sich um Festkörper, die im Inneren isolierend sein können, während ihre Oberflächen elektrischen Strom leiten.
Auch oxidische Verbindungen sowie zweidimensionale Van-der-Waals-Materialien wie Graphen sollen untersucht werden. Mit dem ERC-Starting-Grant kann Sala dafür zwei Doktorierende und eine Person auf Postdoktorats-Niveau einstellen.
Experimente bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt
Für die Experimente werden Strukturen hergestellt und untersucht, die nur wenige Mikrometer gross sind. Die Proben sollen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius abgekühlt werden.
Das PSI schafft dafür mit den Fördermitteln einen speziellen Kryostaten an. Das Gerät kann die Proben nicht nur extrem stark kühlen, sondern gleichzeitig starke Magnetfelder erzeugen.
Während der Messungen wird ein elektrischer Strom durch die Proben geleitet. Anschliessend untersuchen die Forschenden, wie sich die Elektronen unter dem Einfluss verschiedener Bedingungen bewegen.
Besonders interessant sind dabei nichtlineare Effekte. Gemeint sind Situationen, in denen bereits kleine Veränderungen der Spannung oder des Magnetfelds zu deutlich grösseren Veränderungen im Messergebnis führen. In solchen Abweichungen könnten Hinweise auf die Quantengeometrie verborgen sein.
PSI bietet wichtige Infrastruktur für die Forschung
Ein wichtiger Grund für Salas Forschung am PSI ist die dort vorhandene Infrastruktur. Das neue Quantum Matter and Materials Center, kurz QMMC, bündelt verschiedene Forschungsgruppen, die sich mit Quantenmaterie und neuartigen Materialien beschäftigen.
Für Q-GEOMSPIN stehen zudem Anlagen zur Materialherstellung und -charakterisierung sowie zur Fertigung von Mikrobauelementen zur Verfügung. Auch Messungen bei extrem tiefen Temperaturen können am PSI durchgeführt werden.
Das Team soll unter anderem die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS nutzen. Ebenfalls wichtig ist der neue PSI-Reinraum PICO, der sich für die Herstellung der winzigen Bauelemente eignet. Darüber hinaus könnte auch die Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ für Teile des Projekts eingesetzt werden.
Die Schweiz ist seit Ende 2025 wieder vollständig mit den Forschungsförderungsprogrammen der Europäischen Union assoziiert. Dadurch kann Sala die ERC-Förderung direkt vom Europäischen Forschungsrat erhalten.
Mögliche Auswirkungen auf künftige Datenspeicher
Q-GEOMSPIN ist zunächst ein Grundlagenforschungsprojekt. Die Erkenntnisse könnten jedoch langfristig für technologische Anwendungen relevant werden.
Ein mögliches Einsatzgebiet sind leistungsfähigere spintronische Speicher wie MRAM. Auch neuartige Computerprozessoren, die sich teilweise an der Funktionsweise des menschlichen Gehirns orientieren, könnten von einem besseren Verständnis spintronischer Effekte profitieren.
Darüber hinaus könnten die Forschungsergebnisse bei der Entwicklung neuer Materialien helfen oder Ansätze liefern, um kleine Energiemengen aus bisher ungenutzten Quellen zu gewinnen. Als Beispiel wird die Nutzung von Energie aus elektromagnetischen Signalen wie WLAN-Funkwellen genannt.
Bis zu solchen Anwendungen ist es allerdings noch ein weiter Weg. Sala betont deshalb den grundlegenden Charakter seines Projekts: Q-GEOMSPIN soll zunächst neue physikalische Zusammenhänge sichtbar machen. Genau diese Grundlagen könnten später die Basis für technologische Entwicklungen bilden.
Über das Paul Scherrer Institut
Das Paul Scherrer Institut (PSI) entwickelt, baut und betreibt grosse Forschungsanlagen und stellt diese der nationalen und internationalen Forschung zur Verfügung. Zu seinen Schwerpunkten gehören Zukunftstechnologien, Energie und Klima, Health Innovation sowie Grundlagen der Natur.
Das PSI beschäftigt rund 2300 Mitarbeitende und ist damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz. Es gehört zum ETH-Bereich und arbeitet eng mit Hochschulen und Forschungseinrichtungen im In- und Ausland zusammen.
