YSGAG: Ein bahnbrechendes Substrat für die Quanten-Magnonik vom IKZ

Neues Material ermöglicht Quantenexperimente bei niedrigen Temperaturen

Illustration der Kristallstruktur des neuartigen YSGAG, einem alternativen diamagnetischen Substrat für YIG-Filme. Die kubische Gitterstruktur von YSGAG ähnelt der von YIG, jedoch sind die Eisenionen auf den oktaedrisch-koordinierten Positionen durch Scandium, Gallium und Aluminium und auf den tetraedrisch-koordinierten Positionen durch Gallium und Aluminium besetzt. © IKZ

Dr. Christo Guguschev und sein Team vom Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ) haben in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern ein neues diamagnetisches Substratmaterial demonstriert, das eine nahezu perfekte Gitteranpassung zum Modellferrimagneten der Magnonik – Yttrium-Eisen-Granat (YIG) – aufweist.

Im Gegensatz zu den bisher verwendeten paramagnetischen Substraten bleibt das neue Material, Yttrium-Scandium-Gallium-Aluminium-Granat (YSGAG), auch bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt magnetisch inert. Diese Eigenschaft ermöglicht YIG-Dünnschichten, die ihre außergewöhnliche magnetische Qualität und extrem geringe Dämpfung bei Millikelvin-Temperaturen beibehalten, wodurch Quantenexperimente mit der gleichen hervorragenden Leistung wie bei Raumtemperatur möglich sind.

Yttrium-Eisen-Granat (YIG) ist aufgrund seiner außergewöhnlich geringen magnetischen Dämpfung ein grundlegendes Material in der Spintronik und Magnonik, da es die Ausbreitung von Spinwellen – kollektive Anregungen des magnetischen Systems – und deren Quasiteilchen, Magnonen, über große Entfernungen ermöglicht. Für Anwendungen in der Hochfrequenztechnik und der auf Magnonen basierenden Quanteninformationsverarbeitung muss YIG als dünner einkristalliner Film mit einer Dicke zwischen zehn Nanometern bis zu mehreren Mikrometern hergestellt werden.

Bei Raumtemperatur ist Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) seit langem das Standardsubstrat für die Epitaxie von YIG und bietet eine hervorragende Gitteranpassung und Filmqualität. GGG wird jedoch bei niedrigen Temperaturen paramagnetisch und bei Vorhandensein externer Magnetfelder, die zur Erzeugung und Steuerung von Spinwellen erforderlich sind, teilweise magnetisiert. Dies führt zu inhomogenen Streufeldern, die die magnetische Homogenität der YIG-Schicht stark stören. Durch die resultierende magnetische Kopplung zwischen dem magnetisierten Substrat und dem Film entstehen zusätzliche Dissipationskanäle, die die Lebensdauer der Magnonen drastisch verkürzen und solche Systeme für Quantenexperimente ungeeignet machen.

Dieser seit langem bestehende Engpass in der Quantenmagnonik – einem Forschungsgebiet, das sich mit den Quanteneigenschaften von Magnonen und ihrer Anwendung in der Quanteninformationstechnologie befasst – wurde nun durch eine internationale Zusammenarbeit überwunden.

Dr. Guguschev vom IKZ entwickelte den neuartigen YSGAG-Substratkristall, einen diamagnetischen, gitterangepassten Granat, der eine Substratmagnetisierung bei Millikelvin-Temperaturen verhindert. Dr. Carsten Dubs (INNOVENT e.V. Technologieentwicklung) züchtete dann auf diesen Substraten mit Hilfe der Flüssigphasenepitaxie (LPE) YIG-Filme höchster Qualität. 

Die Proben wurden anschließend am CEITEC in Brünn mikrostrukturiert und bei Millikelvin-Temperaturen von Teams der RPTU Kaiserslautern und der Universität Wien charakterisiert. Die Messungen bestätigten, dass auf YSGAG gewachsenes YIG seine außergewöhnlich geringe Dämpfung und lange Magnon-Lebensdauer bis zu den niedrigsten Temperaturen beibehält, die in Verdünnungskryostaten erreichbar sind.

Dieser bedeutende Durchbruch im Bereich der Materialwissenschaften, für den ein Patentantrag eingereicht wurde, eröffnet einen praktischen Weg zu extrem langlebigen Magnonen in dünnen Schichten. Er ebnet den Weg für skalierbare Quantenmagnonik mit kohärentem Magnontransport, starker Magnon-Photon- und Magnon-Qubit-Kopplung sowie für die Entwicklung integrierter Quantennetzwerke.

Die Arbeit wurde vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) unter den Referenznummern (13N17108, 13N17109 und 13N17110) im Rahmen eines Verbundprojekts „Verlustarme Materialien für integrierte magnonisch-supraleitende Quantentechnologien  (MagSQuant)“ gefördert und teilweise durch das Projekt Paramagnonics (10.55776/6568) des österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) finanziert.

Kontakt:

Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
Dr. Christo Guguschev
+49 (0) 30 246499-417
christo.guguschev(at)ikz-berlin.de
www.ikz-berlin.de

Pressemitteilung IKZ vom 24.10.2025