von Juliana Fischer

Ob Datenspeicher, Sensorik oder neue Materialien: Magnete stecken in vielen Technologien, die unseren Alltag prägen – und in vielen, die ihn künftig verändern werden. An der UDE erforscht Prof. Dr. Karin Everschor-Sitte mit ihrem Projekt „Next-Generation Magnets – The Future is 3D!“ das Potenzial dreidimensionaler magnetischer Strukturen. Für dieses Vorhaben erhält sie rund eine Million Euro aus dem Momentum-Programm der VolkswagenStiftung für Erstberufene.

Magnete sind eine Schlüsseltechnologie unserer Zeit. Viele magnetische Konzepte beruhen bislang jedoch auf vergleichsweise einfachen, meist zweidimensionalen Strukturen. Physikerin Karin Everschor-Sitte setzt genau hier an: Sie will Magnetismus konsequent in drei Dimensionen theoretisch beschreiben, analysieren und für künftige Technologien nutzbar machen.
„Die Zukunft des Magnetismus ist 3D“, sagt Karin Everschor-Sitte. „Um dieses neue Feld zu erschließen, brauchen wir vor allem ein tieferes theoretisches Verständnis komplexer magnetischer Strukturen und ihrer Eigenschaften.“

Ausgangspunkt des Projekts sind mehrere wissenschaftliche Entwicklungen: Fortschritte im 3D-Nanodruck, in der 3D-magnetischen Bildgebung und bei neuartigen Formen des Magnetismus wie dem Altermagnetismus. Sie eröffnen neue Möglichkeiten für Forschung und Anwendungen – zugleich stellen sie die Wissenschaft vor grundlegende Fragen: Wie verhalten sich magnetische Strukturen in komplexen 3D-Geometrien? Welche neuen physikalischen Effekte entstehen durch Krümmung, Topologie und langreichweitige Wechselwirkungen? Und wie lassen sich experimentelle 3D-Daten zuverlässig interpretieren?

Im Zentrum des Projekts steht die Entwicklung eines umfassenden theoretischen Rahmens für 3D-magnetische Texturen und neuartige magnetische Materialien. Ergänzt wird dies durch neue Methoden, um experimentelle Bildgebungsdaten besser zu rekonstruieren und auszuwerten. So sollen langfristig Designprinzipien für die nächste Generation magnetischer Materialien entstehen.

Ein weiterer Baustein ist die Entwicklung einer immersiven VR-Plattform, mit der komplexe 3D-magnetische Strukturen anschaulich visualisiert und interaktiv untersucht werden können. Diese digitale Infrastruktur soll Forschung, Lehre und Wissenschaftskommunikation gleichermaßen stärken. „Das Projekt verbindet grundlegende theoretische Physik mit einer klaren Zukunftsperspektive“, so Everschor-Sitte. „Wir wollen verstehen, wie Magnetismus in 3D funktioniert – und damit die Basis für die nächste Generation magnetischer Materialien legen.“

Im Bild: Zu sehen ist eine 3D Magnetische Struktur, die auch als Twiston bezeichnet wird. Sie besteht aus einem vertikalen Meron-Schlauch, der von einem selbstverketteten Meron-Torus umgeben ist. 

von Juliana Fischer

Der rasante Aufstieg von KI und Co. hat einen Preis: einen stetig wachsenden Energiebedarf. Anwendungen wie ChatGPT oder komplexe Optimierungsalgorithmen treiben den Stromverbrauch von Rechenzentren weltweit in die Höhe. Forschende suchen daher nach neuen Ansätzen für effizientere Computerhardware. Eine vielversprechende Richtung ist das spinbasierte Rechnen. In einer neuen Übersichtsarbeit in Nature Reviews Physics zeigen Forschende, darunter Prof. Dr. Karin Everschor-Sitte von der Universität Duisburg-Essen, wie spintronische Bauelemente zur Grundlage neuartiger Computerarchitekturen werden könnten.

Heutige Computer arbeiten mit binären Codes aus Nullen und Einsen – etwa in Folgen wie 01010000011. Grundlage dafür sind Transistoren, die elektrische Signale in digitale Zustände übersetzen. Doch mit den steigenden Anforderungen datenintensiver Anwendungen stößt dieses Prinzip zunehmend an physikalische und energetische Grenzen.

Die Spintronik verfolgt einen anderen Ansatz: Sie nutzt nicht nur die elektrische Ladung von Elektronen, sondern auch ihre magnetische Eigenschaft, den sogenannten Spin. Diese zusätzliche Freiheitsgröße eröffnet neue Möglichkeiten für die Speicherung und Verarbeitung von Informationen.

Magnetische Materialien besitzen Eigenschaften, die für moderne Rechenansätze besonders interessant sind. Sie arbeiten nichtflüchtig, reagieren schnell und zeigen komplexe dynamische Prozesse wie Nichtlinearität, Zufälligkeit oder zeitliche Rückkopplung. Solche Eigenschaften lassen sich für neuromorphe und probabilistische Rechenmethoden nutzen – also für Algorithmen, die sich an der Funktionsweise biologischer Nervensysteme orientieren oder gezielt mit Unsicherheiten arbeiten.

Die Übersichtsarbeit stellt mögliche Bausteine solcher Systeme vor, darunter spintronische Neuronen und Synapsen, probabilistische Bits (p-bits) sowie größere Rechenarchitekturen wie magnetisches Reservoir Computing oder sogenannte Ising-Maschinen, die besonders für schwierige Optimierungsprobleme geeignet sind. „Wir erforschen insbesondere, wie sich Reservoir Computing mit magnetischen Strukturen wie sogenannten Skyrmionen realisieren lässt“, erklärt Prof. Dr. Karin Everschor-Sitte, Physikerin an der Universität Duisburg-Essen. „Ein wichtiger Teil unserer Arbeit ist es außerdem, neue Kenngrößen zu entwickeln, mit denen sich die Leistungsfähigkeit solcher Systeme zuverlässig bewerten lässt." 

Ein Vorteil der Technologie: Viele spintronische Bauelemente lassen sich mit bestehenden Halbleiterprozessen kombinieren. Magnetische Tunnelkontakte sind bereits in kommerziellen Speichertechnologien integriert und können in konventionelle CMOS-Fertigungsprozesse eingebunden werden.

Gleichzeitig stehen Forschung und Entwicklung noch vor Herausforderungen. Dazu gehören die optimale Abstimmung von Materialien, Bauelementen und Algorithmen sowie geeignete Bewertungsmaßstäbe, um die Leistungsfähigkeit neuer Hardware mit etablierten Systemen vergleichen zu können.

Langfristig sehen Fachleute spinbasierte Technologien nicht als Ersatz klassischer Computer, sondern als Ergänzung. Besonders vielversprechend erscheinen hybride Ansätze, bei denen unterschiedliche physikalische Rechenprinzipien kombiniert werden. Spinbasierte Systeme könnten so künftig dazu beitragen, die wachsenden Rechenanforderungen moderner datengetriebener Anwendungen energieeffizient zu bewältigen.

Zur Publikation in Nature Reviews Physics: https://www.nature.com/articles/s42254-025-00918-1

Ein internationales Forschungsteam des DFG-Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 270 „HoMMage“ hat in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ neue Erkenntnisse über effizientere Permanentmagnete veröffentlicht. So könnten künftig leistungsfähigere Magneten entwickelt werden.

Seltenerdmagnete sind für Hochleistungs-Elektromotoren in Fahrzeugen, Drohnen und Zügen unverzichtbar und bilden das Rückgrat einer modernen, umweltfreundlichen Mobilität. Dabei handelt es sich um sorgfältig konzipierte Materialien mit einer komplexen inneren Nanostruktur, die aus winzigen Bausteinen, sogenannten Phasen, besteht. Jede Phase besitzt ihre eigene Kristallstruktur, Chemie und physikalische Beschaffenheit. Entscheidend für Stärke und Stabilität ist das Verhalten der Magnetisierung an den Grenzflächen dieser Phasen, was wiederum Auswirkungen auf die Effizienz und Zuverlässigkeit der Elektromotoren hat.

Forschende des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 270 „HoMMage“ – darunter auch Wissenschaftler:innen aus der Fakultät Physik und dem Zentrum für Nanointegration (CENIDE) der Universität Duisburg-Essen (UDE) – , untersuchten einen besonders stabilen Samarium-Kobalt-Magneten. Die Arbeitsgruppe Farle der UDE untersuchte dabei gemeinsam mit dem Ernst-Ruska-Zentrum (ERC) am Forschungszentrum Jülich die Geometrie magnetischer Domänenwände, die das makroskopische Verhalten des Magneten mitbestimmen.

Eine zentrale Entdeckung: die stärksten Magnete weisen an der Grenze einer kritischen inneren Phase eine ultradünne, kupferreiche Schicht – nur ein bis zwei Atome dick – auf. Diese atomare Struktur wirkt wie eine effektive Verankerungsbarriere, unterdrückt die Entmagnetisierung und ermöglicht so einen zuverlässigen Betrieb unter extremen Bedingungen.

Zudem zeigte sich, dass sogenannte Korngrenzen, die lange als Schwachstellen galten, die Magnetleistung kaum beeinflussen. Das eigentliche Potenzial liegt vielmehr in der gezielten Optimierung der inneren Nanostruktur: Bereits kleinste atomare Veränderungen im Aufbau können Stärke und Stabilität des gesamten Magneten deutlich verbessern. Durch den Abgleich experimenteller Daten mit mikromagnetischen Simulationen identifizierten die Forschenden zudem „ideale Defekte“, die für maximale Stabilität entscheidend sind. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine gezielte Entwicklung leistungsfähigerer Magnete und machen zeitaufwendige Trial-and-Error-Ansätze weitgehend überflüssig.

Im Bild: (a) Mikrostruktur des Magneten, aufgenommen mittels Elektronenmikroskopie. (b) Optische Kerr-Mikroskopie-Aufnahme; die schwarzen Bereiche entsprechen dem entmagnetisierten Teil des Magneten. (c, d, e) Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie-Aufnahmen zeigen die Nanostruktur des Magneten. (f) Elektronen-Holographie; unterschiedliche Farben entsprechen unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen.

Weitere Informationen:
Hier geht es zur Pressemeldung der TU Darmstadt: https://www.tu-darmstadt.de/universitaet/aktuelles_meldungen/einzelansicht_542976.de.jsp

Hier geht es zur Veröffentlichung: doi.org/10.1038/s41467-025-67773-7

Wohin kein Sternenlicht dringt, da entsteht Neues: Ein internationales Forschungsteam hat erstmals die Wirkung kosmischer Strahlung in einer kalten Molekülwolke direkt gemessen. Die Beobachtung zeigt, wie stark energiereiche Teilchen das Gas in diesen lichtlosen Regionen beeinflussen, in denen Sterne entstehen. Dr. Brandt Gaches, Leiter der Emmy-Noether-Gruppe „Towards the Next Generation in Cosmic Ray Astrochemistry” an der Universität Duisburg-Essen, war Teil des Teams, das diese Effekte mit dem James-Webb-Weltraumteleskop untersucht hat, und lieferte astrochemische Modelle der kosmischen Strahlungschemie. Nature Astronomy berichtet.

In kalten, dichten Wolken aus Gas und Staub entstehen Sterne und Planeten. Eine dieser Wolken heißt Barnard 68 – sie liegt rund 500 Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Schlangenträger. Ihr Inneres ist 9 Kelvin (−264 °C) kalt und so dicht und damit undurchsichtig, dass selbst Licht kaum hindurchdringt. Hier spielt kosmische Strahlung eine wichtige Rolle: hochenergetische, geladene Teilchen aus dem All, die das Gas ionisieren* und so seine Chemie und Temperatur regulieren. Das kann in diesen Regionen komplexe chemische Prozesse anstoßen.

Die Bedeutung der kosmischen Strahlung wird angegeben als Ionisationsrate der kosmischen Strahlung – also die Rate, mit der molekularer Wasserstoff (H₂) durch kosmische Strahlung ionisiert wird (pro Molekül pro Sekunde). Die Ionisationsrate kosmischer Strahlung ist einer der grundlegenden Parameter in der Chemie des molekularen Universums. Bislang konnte diese nur geschätzt werden, hauptsächlich auf Basis von Modellen und Beobachtungen chemischer Linien. „Forschende mussten Umwege gehen, indem sie seltene Moleküle wie protonierten molekularen Wasserstoff oder protonierte Ionen beobachteten und anschließend versuchten, aus deren Konzentrationen die Ionisationsrate zu berechnen“, erklärt Gaches. Doch solche Modelle hängen von vielen Annahmen ab – über Dichte, Temperatur und Reaktionswege – und führen zu stark schwankenden Ergebnissen.

Forschende haben kürzlich die Idee entwickelt, das neue, extrem empfindliche James-Webb-Weltraumteleskop zu nutzen, um extrem schwache Infrarotlinien zu messen, die entstehen, wenn kosmische Strahlen das Gas direkt anregen. Das theoretische Konzept dessen reicht Jahrzehnte zurück, aber direkte Beobachtungen sind Astronomen bisher nicht gelungen. Frühere Studien, darunter auch Arbeiten von Gaches, haben anhand chemischer Modelle gezeigt, dass diese Nahinfrarotlinien ein zuverlässiger Indikator für die Ionisierung durch kosmische Strahlen sind.

Ein internationales Team unter der Leitung des Technion Israel Institute of Technology hat nun drei dieser Linien eindeutig nachgewiesen – genau wie es theoretische Modelle seit Jahrzehnten vorhergesagt hatten. Als das Spektrometer des James-Webb-Weltraumteleskops auf Barnard 68 gerichtet wurde, detektierte es ein schwaches Leuchten von direkt angeregtem molekularem Wasserstoff (H₂). Dies ist das erste Mal, dass durch Beobachtungen bestätigt wurde, dass kosmische Strahlen direkt messbare Infrarotlinien anregen. Eine Folgestudie, die derzeit zur Veröffentlichung vorbereitet wird, nutzte diese Beobachtungen, um direkt zu messen, wie schnell kosmische Strahlen in dichten interstellaren Wolken Energie verlieren.

Diese Beobachtungen eröffnen neue Möglichkeiten für die Untersuchung der Physik und Chemie kosmischer Strahlung in Sternentstehungsgebieten. Künftige Beobachtungen mit dem James-Webb-Weltraumteleskop wurden ebenfalls genehmigt, um diese Analyse auf eine weitere nahegelegene Wolke auszuweiten.

* Beim Ionisieren werden Atomen und Molekülen Elektronen „entrissen“. Die übrigbleibenden Ionen sind positiv geladen.

Originalveröffentlichung: https://doi.org/10.1038/s41550-025-02771-9

Im Bild: Farbkomposit aus Aufnahmen der Dunkelwolke Barnard 68 im sichtbaren Licht und im nahen Infrarot, die mit dem 8,2-m VLT-Teleskop ANTU und dem FORS1-Instrument im März 1999 entstanden sind. In diesem Wellenlängenbereich ist die kleine Wolke vollständig undurchsichtig, da die Staubteilchen in ihrem Inneren das Licht weiter entfernt liegender Sterne verdunkeln.

Weitere Informationen:
Dr. Brandt Gaches, Towards the Next Generation in Cosmic Ray Astrochemistry, Tel. 0203/37 9-3327, brandt.gaches@uni-due.de

Kann ein kleiner Metallklumpen in einem Quantenzustand sein, der sich über entfernte Orte erstreckt? Ein Forschungsteam der Universität Wien beantwortet diese Frage mit Ja. Im Fachjournal Naturezeigen Physiker der Universität Wien und der Universität Duisburg-Essen, dass selbst massive Nanopartikel, bestehend aus Tausenden von Natriumatomen, den Regeln der Quantenmechanik folgen. Das Experiment ist derzeit einer der besten Tests der Quantenmechanik auf makroskopischer Skala.

In der Quantenmechanik kann sich nicht nur Licht, sondern auch Materie sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhalten. Für Elektronen, Atome und kleine Moleküle wurde dies schon mehrfach belegt, durch Beugung am Doppelspalt, oder durch Interferenzexperimente. Im Alltag sehen wir davon jedoch nichts: Murmeln, Steine und Staubkörner haben einen wohldefinierten Ort und eine vorhersehbare Bahn, sie folgen den Regeln der klassischen Physik.

Wissenschaftler:innen der Universität Wien sowie Prof. Dr. Klaus Hornberger von der Universität Duisburg-Essen zeigen nun erstmals, dass die Wellennatur der Materie auch bei massiven metallischen Nanopartikeln erhalten bleibt. Beeindruckend ist die Größenskala: Die Cluster haben einen Durchmesser von etwa 8 Nanometer und sind damit in der Größenordnung moderner Transistorstrukturen. Mit einer Masse von mehr als 170.000 atomaren Masseneinheiten sind sie auch massiver als die meisten Proteine. Trotzdem gelingt bei diesen Nanoteilchen der Nachweis von Quanteninterferenz.

Originalveröffentlichung: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09917-9

Im Bild: Materiewelle im Rampenlicht: KI-generierte Interpretation der Welleneigenschaften von Materie. Im Lichtkegel schwebt ein unscharfer, aus vielen Atomen zusammengesetzter Cluster. Die Unschärfe steht für einen delokalisierten Quantenzustand: Der Cluster hat keinen festen Ort, sondern ist als Wellenfunktion räumlich ausgedehnt. Darunter spannt sich ein Gitternetz auf, das an mehrere mögliche Interferometerpfade erinnert. Der Lichtkegel symbolisiert den Messprozess: Erst wenn das Teilchen bei der Messung ins "Rampenlicht" gerät, wird der Cluster an einem bestimmten Ort eindeutig bestimmt.