Im Neubau LASE gehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Physik, Chemie und den Ingenieurwissenschaften gemeinsam sogenannten Spin-Phänomenen auf den Grund. Die interdisziplinäre Forschung zu unterstützen – genau darauf zielt das architektonische Konzept des Architekturbüros Burckhardt+Partner ab. Dafür wurden beispielsweise die Räume zwischen den Laborblöcken großzügig gehalten. Vielseitige Kommunikationszonen und Sitzgelegenheiten laden zum Austausch und zur Diskussion ein. Angrenzende begrünte Innenhöfe und die Dachterrasse mit Blick in den Pfälzer Wald bieten zusätzliche und vielgenutzte Außenräume.

Die Architektur erfüllt die hohen Anforderungen der Spitzenforschung an die Laborinfrastruktur wie Schwingungsfreiheit, Abschirmung gegen elektromagnetische Felder sowie Temperaturkonstanz und Luftbewegungen.

Die hochinstallierten Laboreinheiten, jeweils im Zentrum des Gebäudes angeordnet, sind als geschlossene Blöcke in Sichtbeton erkennbar. Fenster hin zu Aufenthaltsbereichen und Büros schaffen Transparenz, erlauben Einblicke in die Forschung und verbinden damit die Menschen und die unterschiedlichen Tätigkeitsbereiche. Die Bereiche für den Austausch sind gestalterisch besonders hervorgehoben und durch Aufweitungen des Raums und große Fensteröffnungen angezeigt.

Prägnant ist die helle Erscheinung des Forschungsbaus. Die Gestaltung der Fassade aus großformatigen Stahlbeton-Fertigelementen unterstreicht den monolithischen Charakter des Gebäudes und trägt zur ruhigen Gesamtwirkung des Neubaus im Campus-Kontext bei.

„In der Spinforschung zählt die TU Kaiserslautern international zur Spitze. Das neue Forschungsgebäude LASE bietet uns nun den optimalen Rahmen für unsere Arbeit,“ sagt Professor Dr. Werner R. Thiel, Vizepräsident für Forschung und Technologie der TU Kaiserslautern. „Darüber hinaus erhöht das Gebäude die Attraktivität der TUK für Studierende sowie für hochspezialisierte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler.“

Entworfen, geplant und realisiert wurde das LASE von dem Architekturbüro
Burckhardt+Partner, Bauherr ist das Land Rheinland-Pfalz vertreten durch den Landesbetrieb Liegenschafts- und Baubetreuung, LBB. Das LASE hat eine Nutzfläche von über 3.300 Quadratmetern davon über 400 Quadratmeter Reinräume, ausgestattet als Arbeitsplätze mit extra gering gehaltener Zahl der von der Luft getragenen Partikel. Der Bund und das Land Rheinland-Pfalz stellten für den Bau rund 40 Millionen Euro zur Verfügung.

„Wir freuen uns sehr, dass unser Forschungsneubau für diesen Tag ausgewählt worden ist. Der Tag der Architektur steht dieses Jahr unter dem Motto ‘Architektur baut Zukunft’. Das passt in diesem Zusammenhang besonders gut, da die Besucherinnen und Besucher im LASE persönliche Einblicke in das Spannungsfeld von Architektur und Wissenschaft erhalten“, sagt Carsten Krafft von Burckhardt+Partner.

Die Architektenkammer Rheinland-Pfalz hat das LASE für den Tag der Architektur ausgewählt. Die verantwortlichen Architekten informieren zusammen mit Forscherinnen und Forscher Architekturinteressierte in geführten Touren an diesem Tag vor Ort über ihre Arbeit.

Das LASE ist Gebäude 76 auf dem Campus und liegt an der Gottlieb-Daimler-Straße gegenüber des Gebäudekomplexes 62, 63, 64, 65 und 67 (https://www.uni-kl.de/lageplan).

Mehr zum Tag der Architektur gibt es unter: 

Mehr über Burckhardt+Partner unter 

Fragen beantworten:
Burckhardt+Partner
Jörg Wich und Senta Seidler, Projektleitende Architekten, Berlin
Erreichbar über +49 30 210 21 99-0
pr@burckhardtpartner.de

TU Kaiserslautern
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presse[at]uni-kl.de

Elf Schülerinnen und Schüler treten an der TU Kaiserslautern zur Endrunde des Landeswettbewerbs Physik an. Sie müssen dabei eine zuvor erstellte Hausarbeit vorstellen und in einem Kolloquium die Ergebnisse ihrer Arbeit aufzeigen. Darüber hinaus sind sie aufgefordert, im Labor zwei Experimente eigenständig durchzuführen und auszuwerten. Die Leistungen beim Experimentieren, dem Kolloquium und der Hausarbeit werden zu gleichen Teilen gewertet und entscheiden schließlich, wer den Wettbewerb gewinnt.

Der Sieger wird vom Fachbereich Physik zu einem Praktikum eingeladen, bei dem er Einblick in die Laborarbeit erhält.

Parallel zu dem Wettbewerb gibt es für alle Schülerinnen und Schüler ein Physikseminar. In Vorlesungen und Experimenten erhalten sie zusammen mit den Wettbewerbsteilnehmern Einblick in die Physik-Forschung. Es geht unter anderem darum, wie ein Rastertunnelmikroskop Atome sichtbar macht, wie man mit Quanten messen kann oder was es mit Licht und Farbe in Blüten- und Pflanzenfarben auf sich hat. Darüber hinaus erhalten alle Jugendlichen Informationen zum Frühstudium Physik (FiPS) und zu den Studiengängen Physik, Biophysik und TechnoPhysik, die der Fachbereich Physik an der TU Kaiserslautern anbietet.

Die Schülerinnen und Schüler besuchen verschiedene Gymnasien in Rheinland-Pfalz. Die Jugendlichen, die nicht beim Wettbewerb teilnehmen, waren bereits im vergangenen Jahr bei der Endrunde dabei. Diese fand allerdings aufgrund der Pandemie digital statt. Nun sind sie auf dem Campus vor Ort dabei.

Der Landeswettbewerb Physik wurde vom Land Rheinland-Pfalz ins Leben gerufen. Er wird vom Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur, den Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaft (OPTIMAS), den Sonderforschungsbereichen SFB-TR185 (OSCAR - Open System Control of Atom and Photonic Matter) und SFB-TR173 (SPIN+X – Spin in its collective environment), der Stiftung Pfalzmetall, dem Lionsclub Kaiserslautern sowie der Sparkasse Kaiserslautern gefördert.

Fragen beantwortet:
Anett Fleischhauer
Dekanat Physik
Tel.: 0631 205-5251
E-Mail: afleisch[at]physik.uni-kl.de

Beide Eltern-Kind-Zimmer bieten eine Umgebung, die das Mitbringen und sinnvolle Beschäftigen von Kindern ermöglicht, während die Eltern ihrer Arbeit nachgehen können. Während im ersten Raum das Konzept Aquarium umgesetzt wurde, knüpft der neue Raum an die Nähe zum Pfälzer Wald an. Ein großer Baumstamm, an Boden und Decke befestigt, prägt das Eltern-Kind-Zimmer. „Babys können in daran befestigten Tragetüchern langsam schaukeln und schlafen, so unsere Idee“, erklärt Leslie Schleese von der Familien-Service-Stelle der TUK. „Ältere Kinder können sich in einer Höhle verstecken, am Tisch malen und Kinderbücher lesen oder in einer Kuschel- und Bauecke spielen.“ Auch für sie steht ein Schlafplatz parat. Kinder bis zum Grundschulalter finden Spiel- und Ruhemöglichkeiten vor, Eltern einen PC-Arbeitsplatz inkl. Laptop, der für die Zeit im Eltern-Kind-Zimmer zur Verfügung gestellt wird. Ein Buchungskalender regelt die Belegung des Raums.

 „Zur Realisierung des Vorhabens haben wir vor allem finanzielle Mittel zur Verbesserung der Vereinbarkeit von Beruf bzw. Studium und Familie eingesetzt, die aus dem universitären Sonderforschungsbereich SPIN + X stammen“, so Schleese. „Die Innenarchitektin Eva Stidtgen hat in unserem Auftrag den Raum gestaltet.“ Alles in allem verbessert das neue Eltern-Kind-Zimmer die Infrastruktur auf dem TUK-Campus und damit auch die familienfreundliche Studien- und Arbeitsatmosphäre, die der Technischen Universität am Herzen liegt.

Beim Verarbeiten von Informationen nutzen wir vor allem die elektrische Ladung von Elektronen. Geräte werden aber immer kleiner und leistungsfähiger. Elektrischer Strom mit seiner hohen Abwärme stößt hier an Grenzen. Daher arbeitet die Wissenschaft an Alternativen, etwa am Einsatz von Spinwellen. „Der Spin beschreibt den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, zum Beispiel bei einem Elektron oder Neutron“, sagt Professor Dr. Mathias Weiler, der an TU Kaiserslautern zu angewandten Spinphänomenen forscht. „Er bildet die Grundlage für alle magnetischen Phänomene.“  
 

Kollektive Anregungen von Spins - sogenannte Spinwellen - können mehr Informationen transportieren als Elektronen und dabei deutlich weniger Energie verbrauchen und weniger Abwärme erzeugen. Dies macht Spinwellen für die Anwendung interessant. Mit ihnen ließen sich neue spintronische Bauelemente entwickeln, die das Verarbeiten und Speichern von Informationen deutlich beschleunigen. 

Eine wichtige Rolle spielen dabei magnetische Materialien, die komplexe Spinordnungen und damit einhergehende besondere Eigenschaften besitzen. Solche komplexen Spinordnungen finden sich in Antiferromagneten und magnetischen Skyrmionen. „Im Gegensatz zu Ferromagneten, die beispielsweise als Permanentmagnete breite technologische Anwendung finden, lassen sich die komplexen magnetischen Materialien nicht durch eine leicht kontrollierbare makroskopische Magnetisierung charakterisieren“, sagt Weiler. „Stattdessen ist ihre komplexe Spinstruktur durch quantenmechanische Austauschwechselwirkung und Topologie geschützt, lässt sich also nicht ohne Weiteres durch externe Magnetfelder stören." Durch diesen Schutz sowie Eigenfrequenzen, die den Terahertz-Bereich erreichen können, sind komplexe Spinsysteme für robuste und schnelle Informationsverarbeitung besonders geeignet.  
 

Bisher existieren aber noch keine effizienten Methoden, um Spinwellen in diesen Systemen zu steuern. Das Potential dieser Materialklasse bleibt daher weitgehend ungenutzt. Hier setzt das von der EU-geförderte Vorhaben „Magneto-Acoustic Waves in Complex Spin Systems“ (MAWiCS) an: Das Team um Mathias Weiler will komplexe Spinsysteme mit akustischen Oberflächenwellen (Englisch: Surface Acoustic Waves, SAW) verbinden. „Akustische Oberflächenwellen werden besonders in der Kommunikationstechnologie eingesetzt. Mit ihnen werden beispielsweise die zahlreichen Frequenzfilter in Smartphones realisiert“, so der Kaiserslauterer Physiker weiter. „Wir werden diese aktuelle Schlüsseltechnologie mit der zukunftsweisenden spin-basierten Informationstechnologie verknüpfen.“  
 

Dabei machen sich die Physiker zunutze, dass SAWs sehr gut an diese komplexen Spinsysteme koppeln und es damit erlauben, sie sehr effizient zu kontrollieren. Der Arbeitsgruppe um Weiler kommt weiterhin ihre langjährige Expertise in der Nutzung von SAWs zur Kontrolle ferromagnetischer Systeme zugute. Diese Expertise wird das Team jetzt auf Antiferromagnete und chirale Magnete erweitern. „Mit unseren Experimenten wollen wir die Grundlage dafür legen, dass diese Materialien in der Informationsverarbeitung in die Anwendung kommen“, resümiert Weiler. „Sie können damit ein Vorreiter für eine neue Klasse von Informationstechnologie sein.“ 
 

Die Arbeiten werden im neuen Forschungsgebäude LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) auf dem Campus der TUK stattfinden. Eingebunden ist die Forschung von Weilers Team in das von Rheinland-Pfalz geförderte Landesforschungszentrum OPTIMAS (Optik und Materialwissenschaften), die gemeinsam mit der Johannes-Gutenberg Universität Mainz etablierte Forschungsinitiative TopDyn sowie das Schwerpunktprogramm SPP 2137 „Skyrmionics: Topological spin phenomena in real space for applications“ und den Sonderforschungsbereich SFB/TRR 173 „Spin+X – Spin in its collective environment“, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert werden.  

Fragen beantwortet:  
Professor Dr. Mathias Weiler 

Angewandte Spinphänomene / Fachbereich Physik 
Tel.: 0631 205-4099 
E-Mail: weiler(at)physik.uni-kl.de
 

Das menschliche Gehirn ist äußerst komplex: Informationen werden über Synapsen zwischen den Nervenzellen übertragen. In der Forschung hat man sich das Gehirn zum Vorbild genommen, um besonders effektive Rechner zu konstruieren, sogenannte neuromorphe Computer. Auch hier werden künstliche Neuronen über künstliche Synapsen hochgradig miteinander vernetzt. Mithilfe solcher Computer soll die Datenverarbeitung in Zukunft deutlich beschleunigt werden, was zum Beispiel für das autonome Fahren oder die Erkennung von Mustern bei komplexen Datenbanken wichtig ist.

Damit dieses System reibungsfrei läuft, ist die technische Ausgestaltung der synaptischen Verbindung von entscheidender Bedeutung. „Sie sind sehr komplex, daher ist es schwierig, sie mit herkömmlichen elektronischen Schaltungen zu realisieren“, sagt Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro, der an der TUK im Gebiet des Magnetismus forscht. 

Das Team um den Kaiserslauterer Physiker arbeitet daran, dieses Problem zu überwinden. Dabei setzt es auf Spinwellen, den kollektiven Anregungen von Spins in einem magnetischen Material. Beim Spin hanelt es sich um den Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, beispielsweise bei einem Elektron oder Proton. Er legt damit die Grundlage für magnetischen Phänomene. 

Interessant sind Spinwellen für die Anwendung, weil ihre Quantenteilchen, die Magnonen, mehr Informationen transportieren können als Elektronen und gleichzeitig deutlich weniger Energie verbrauchen.  
 
In dem vom ERC geförderten Projekt „CoSpiN - Coherent Spintronic Networks for Neuromorphic Computing“ sollen die Spinwellen zum Einsatz kommen, um die Verknüpfung und die Informationsübertragung zu ermöglichen. „Das Prinzip ähnelt der Breitbandkommunikation, bei der Informationen über Lichtwellen transportiert werden. Wir möchten mit Spinwellen arbeiten, die Informationen auf verschiedenen Frequenzen transportieren können“, so Pirro weiter. „Sie fungieren als Synapsen.“ Als künstliche Neuronen sollen Nano-Oszillatoren dienen. Das sind winzig kleine Schwingungserzeuger, die Spinwellen aussenden.

Ziel ist es, physikalische Bausteine für ein neuartiges spintronisches Netzwerk im Nanomaßstab zu entwickeln. „Damit möchten wir den Grundstein für ein künstliches Gehirn legen, das möglichst nah am natürlichen Vorbild ist“, sagt der Kaiserslauterer Physiker. Mit einer solchen Technologie ließen sich künftig beispielsweise schnellere und leistungsfähigere Rechner realisieren. 

Die Arbeiten werden im neuen Forschungsgebäude LASE (Laboratory for Advanced Spin Engineering) auf dem Campus der TUK stattfinden. Eingebunden ist Pirros Forschung in den vom Land geförderten Profilbereich OPTIMAS (Optik und Materialwissenschaft) und den Sonderforschungsbereich (SFB/TRR 173) „Spin+X – Spin in its collective environment“, der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert wird. 

Fragen beantwortet:  
Juniorprofessor Dr. Philipp Pirro 
Lehrgebiet Magnetismus / TU Kaiserslautern 
Tel.: 0631 205 4092 
E-Mail: ppirro[at]rhrk.uni-kl.de

Geladene Referenten

• Johan Mentink (Radboud University, Netherlands)

• Tomáš Jungwirth (Czech Academy of Sciences, Czech Republic)

• Phil King (University of St. Andrews, UK)

• Kirsten von Bergmann (Hamburg University, Germany)

+ contributed talks from two young researchers (TBA)

Datum & Ort

Die Sitzung ist für Dienstag, 8. März 2022, nachmittags auf der der Sektion Kondensierte Materie (SKM) in Regensburg geplant, weitere Details folgen.

Wenn Sie sich für einen der Beiträge bewerben wollen, dann bis zum 22. Dezember 2021 ein oder kommen Sie einfach vorbei und hören Sie zu!

Dr. Ross wurde von Prof. Dr. Kläui nicht nur deshalb nominiert, weil er während seiner Promotion mehr als 20 Paper veröffentlicht hat, darunter Erstautorenbeiträge in Nature, Nano Letters, Appl. Phys. Lett. usw., sondern vor allem wegen seines Erfolges und Einflusses bei der Erschließung eines neuen Forschungsgebietes, nämlich "insulating antiferromagnetic spintronics".

Das Gebiet der Antiferromagnete ist seit mehr als siebzig Jahren bekannt, aber der Zugang zu Informationen über die zugrunde liegende Magnetstruktur bleibt eine Herausforderung. Herkömmliche Techniken zur Untersuchung der Stärke der magnetischen Anisotropien von Ferromagneten sind entweder nicht auf Antiferromagneten anwendbar, unpraktisch oder zu zeitaufwändig.

Nach sechsmonatiger ergebnisloser Forschung konnte Dr. Ross daher eine Technik vorstellen, die einfach ist und durch elektrische Messungen bestimmt werden kann.

"Eine solche Technik wird einen schnellen Durchsatz bei der Untersuchung von Veränderungen in der antiferromagnetischen Struktur dünner Schichten für zukünftige, anisotropiegetriebene Anwendungen wie magnetische Verbindungen für die Informationsverarbeitung und Speichersysteme ermöglichen", sagt Prof. Dr. Kläui.

Wir freuen uns auf die bevorstehende Forschung in diesem neuen Bereich und danken Dr. Andrew Ross vielmals für seinen herausragenden Beitrag.

Die JSSP deckte ein breites Spektrum von spinbezogenen Phänomenen ab, von langsamen bis zu ultraschnellen Zeitskalen und von schwach bis zu stark korrelierten Systemen. In eingeladenen und studentischen Vorträgen, technischen Tutorien, Diskussionsrunden, zwei Postersitzungen und einem Workshop zum Thema Networking wurden Beispiele für den neuesten Stand der Theorie und der Experimente vorgestellt.

Das JSSP2021 war ein Erfolg, da es die Wissenschaftler beider SFB zusammenbrachte, den Gedankenaustausch förderte, Diskussionen anregte und eine Plattform bot, auf der gemeinsame Forschungsprojekte gegründet werden können.

Der Walter-Schottky-Preis wird jedes Jahr von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) verliehen. Mit ihm wird ein herausragender junger Physiker mit wichtigen Beiträgen zur Physik der kondensierten Materie geehrt. Weitere Informationen finden Sie unter:

• Dr. Libor Šmejkal, Theoretische Physik, JGU Mainz
• Dr. Angela Wittmann, Experimentelle Physik, JGU Mainz

Der nächste Retreat wird wieder im Kurpark Hotel in Bad Dürkheim im Herbst 2022 stattfinden.

Libor Šmejkal ist derzeit Leiter eines Forschungsteams an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. Er promovierte 2020 an der Karlsuniversität Prag, Tschechische Republik, mit einer Arbeit über "Topologische Bandtheorie der relativistischen Spintronik in Antiferromagneten". Anschließend wechselte er in die Sinova-Gruppe an der Universität Mainz und wurde dort Leiter eines Forschungsteams.

Seine Forschung konzentriert sich auf Effekte, die die Herausforderungen grundlegender physikalischer Probleme wie die Simulation der Quantenfeldtheorie in Festkörpersystemen mit potenziell technologisch relevanten Nanobauteilen verbinden. Er nutzt ein breites Arsenal an Methoden der theoretischen Physik, das von der Gruppentheorie bis zu Dichtefunktionaltheorieberechnungen auf Supercomputern reicht.

Mehr Informationen:

Zum 20-jährigen Jubiläum des Mainzer Wirtschaftsmarktes 2021 ist es gelungen, die ehemals analoge Veranstaltung durch die vielen Mitmach- und Aktivierungsangebote in ein virtuelles Erlebnis zu verwandeln.
Besonders erfreulich ist die Resonanz der Teilnehmer und Teilnehmerinnen auf WIMA DIGITAL und die MAINZER SCIENCE BOX:

• "...Ich habe am Wochenende mit meiner Familie an Ihrem tollen Event teilgenommen..."
• "...Ich habe die Box für meine Familie bestellt und wir waren begeistert. Gibt es noch Kopien für meine Klasse?..." (ein Lehrer)
• "...Das war ein tolles Projekt, das Sie digital auf die Beine gestellt haben. Meine Kinder haben es sehr genossen..."

Der 20. Mainzer Wissenschaftsmarkt 2021 WIMA-DIGITAL in Zahlen zusammengefasst:

•   48 teilnehmende Institutionen sind mit knapp 100 Beiträgen auf WIMA-DIGITAL präsent.
•   Fast 40.000 Besucher von WIMA-DIGITAL seit Kampagnenstart.
•   2.000 Mainzer Wissenschaftsboxen wurden verschickt oder verteilt.

Wir haben uns gefreut, dass alle Inhalte weiterhin auf der von WiMa verfügbar sind.

Spin+X wird auch an den kommenden WiMa-Events teilnehmen. Zum Beispiel auf der Mainzer Wissenschaftswoche – „Mensch und Zeit“ vom 11. bis 18. September 2022 oder auf dem 21. Mainzer Wissenschaftsmarkt – „Mensch und Gesellschaft“, der am 9. und 10. September 2023 stattfindet.

Durch die Abdeckung eines breiten Spektrums spinbezogener Phänomene von langsamen bis zu ultraschnellen Zeitskalen und von schwach bis stark korrelierten Systemen wird die Joint School Beispiele liefern aus neuester Theorie und aktuellsten Experimenten in eingeladenen und studentischen Vorträgen sowie technischen Tutorien. Diskussionstreffen und Postersessions werden ebenfalls angeboten. Durch die "Joint School on Spin Physics" wird die Zusammenarbeit von Studierenden der beiden SFBs gefördert, was zu einem größeren Netzwerk von Möglichkeiten zur Untersuchung spinbezogener Phänomene führt.

Die findet statt im Hotel am Schloß Apolda in Thüringen, Deutschland, vom 25. bis 28. Oktober 2021.

Achtung! Wir planen, diese Konferenz als Präsenzveranstaltung zu realisieren. Aufgrund der anhaltenden Covid19-Pandemie in Europa kann dies jedoch in Übereinstimmung mit den deutschen Covid-Bestimmungen geändert und in ein Online-Format geändert werden.

Eine lokale Störung der magnetischen Ordnung eines Magneten kann sich in Wellen über ein Material ausbreiten. Diese Wellen werden als Spinwellen und die zugehörigen Quasiteilchen als Magnonen bezeichnet. Wissenschaftler der Technischen Universität Kaiserslautern, des Innovent e.V. aus Jena und der Universität Wien sind bekannt für ihre Expertise auf dem Forschungsgebiet "Magnonik". Hier werden Magnonen für die Entwicklung neuartiger Computer genutzt, die die heute verwendeten elektronenbasierten Prozessoren ergänzen können.

"Eine neue Generation von Computern mit Magnonen könnte leistungsfähiger sein und vor allem weniger Energie verbrauchen. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass wir so genannte Monomode-Wellenleiter herstellen können, mit denen wir fortschrittliche wellenbasierte Signalverarbeitungsschemata nutzen können", sagt Juniorprofessor Philipp Pirro, einer der leitenden Wissenschaftler des Projekts. "Dazu müssen die Abmessungen unserer Strukturen im Nanometerbereich liegen. Die Entwicklung solcher Datenleitungen eröffnet einen Zugang zur Entwicklung neuromorpher Computersysteme, die sich an der Funktion des menschlichen Gehirns orientieren."

Die Skalierung der Magnonics-Technologie auf die Nanoskala ist jedoch eine Herausforderung: "Ein sehr vielversprechendes Material für magnetische Anwendungen ist Yttrium-Eisen-Granat (YIG). YIG ist eine Art 'edelmagnetisches Material', weil Magnonen darin etwa hundertmal länger überleben als in anderen Materialien", sagt der Projektleiter, Professor Andrii Chumak von der Universität Wien. "Aber alles hat seinen Preis: YIG ist sehr komplex und schwierig zu handhaben, wenn man versucht, winzige Strukturen daraus zu machen. Deshalb waren YIG-Strukturen jahrzehntelang nur millimetergroß, und erst jetzt ist es uns gelungen, auf 50 Nanometer herunterzugehen, was etwa 100.000 Mal kleiner ist."

Zu diesem Zweck wurde am Nano-Strukturierungszentrum der TU Kaiserslautern eine spezielle neue Technologie entwickelt, bei der die von Dr. Carsten Dubs vom Innovent e.V. in Jena gezüchteten YIG-Schichten eingesetzt werden können. Auf diese YIG-Schicht wird eine dünne Metallschicht, eine sogenannte Maske, aufgebracht, die den größten Teil dieser Schicht frei lässt. Die Probe wird dann mit einem starken Strom von Argon-Ionen beschossen, wodurch ungeschützte Teile der YIG-Schicht abgetragen werden, während das Material unter der Maske intakt bleibt. Anschließend wird die Metallmaske entfernt, wobei ein 50 nm dünner Streifen der fertigen YIG-Schicht zum Vorschein kommt.

"Entscheidend für den Erfolg des gesamten Prozesses war es, die richtigen Materialien für die Maske zu finden, herauszufinden, wie dick sie sein muss, und Dutzende von verschiedenen Parametern einzustellen, um die Eigenschaften einer YIG-Schicht anzupassen", sagt Björn Heinz, der Hauptautor der Arbeit. "Nach mehrjährigen Untersuchungen haben wir schließlich das geeignete Verfahren gefunden, eine Kombination aus Chrom- und Titanschichten. Die Breite der YIG-Struktur ist etwa tausendmal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Nach der erfolgreichen Strukturierung untersuchten die Wissenschaftler weiter die Ausbreitung von Magnonen, um zu testen, ob die nanogroßen YIG-Strukturen die überlegenen Materialeigenschaften der YIG-Schichten beibehalten.

"Wir konnten zeigen, dass der Strukturierungsprozess nur einen geringen Einfluss auf die fantastischen Eigenschaften dieses Materials hat", sagt Heinz. "Furthermore, we were able to prove experimentally that magnons transport information efficiently over long distances in the pipelines, as was previously the case in theory was claimed. These results are an important step in the development of magnonic circuits and prove the general feasibility of magnon-based data processing".

Die Forschung wurde im Rahmen des ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), des Sonderforschungsbereichs SFB 173 Spin+X (P. Pirro) und des DFG-Projekts DU 1427/2-1 (C. Dubs) gefördert und durch das Landesforschungszentrum OPTIMAS finanziert.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht:
DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00657

Fragen beantworten: 
Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro  
Technische Universität Kaiserslautern   
Tel.: +49 631 205 4092     
E-Mail: ppirro(at)physik.uni-kl.de

Univ.-Prof. Dr. habil. Andrii Chumak
Universität Wien
Tel.: +43 1 4277-73910
E-Mail: andrii.chumak(at)univie.ac.at

DIE TU KAISERSLAUTERN

Die TU Kaiserslautern ist die einzige Universität in Rheinland-Pfalz mit einem technisch-naturwissenschaftlichen Schwerpunkt. Zukunftsorientierte Studiengänge, praxisorientierte Ausbildung und eine moderne Infrastruktur sind die Rahmenbedingungen, die Studierende an der Campus-Universität vorfinden. Die TU Kaiserslautern wurde im Wettbewerb "Exzellente Lehre" mit dem Exzellenzpreis für Studium und Lehre ausgezeichnet. Mit dieser Auszeichnung beweist die TU den hohen Stellenwert ihrer Studiengänge. Darüber hinaus profitieren Studierende und Wissenschaftler von den zahlreichen international renommierten Forschungseinrichtungen, die eng mit der TU Kaiserslautern im Bereich der angewandten Forschung kooperieren.

PRESSEKONTAKT

Katrin Müller
Leiterin ���Ծ������������ä�ٲ���dz����ܲԾ��첹�پ��Dz�

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A team of physicists are marking a milestone in the quest for smaller and more energy-efficient computing: they developed an integrated circuit using magnetic material and magnons to transmit binary data, the 1s and 0s that form the foundation of today’s computers and smartphones.The new circuit is extremely tiny, with a streamlined, 2D design that requires about 10 times less energy than the most advanced computer chips available today, which use CMOS technology. While the current magnon configuration is not as fast as CMOS, the successful demonstration can now be explored further for other applications, such as quantum or neuromorphic computing.Successful collaborationThe prototype is the culmination of four years of effort funded through Andrii Chumak’s European Research Council (ERC) Starting Grant, and close collaboration with Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro at TUK, and Dr. Qi Wang, who is currently a postdoc at University of Vienna. Univ.-Prof. Chumak started the work at TUK and now leads a research group at University of Vienna.“We are very happy since we managed to do what was planned several years ago and it works even better than we expected,” Chumak says. When he first proposed the magnon circuit, his design was very complex. He credits Wang, the lead author of the paper, with making the design “at least 100 times better.” “We see now that magnonics circuits can be as good as CMOS, but this is probably not yet enough if you want to trigger industry. I would assume you have to be still at least 100 times smaller and faster,” says Chumak. “But this circuit opens up fantastic opportunities beyond binary data, for example to quantum magnonic computing at very low temperatures.” Pirro adds: “We are also interested in adapting the circuit for neuromorphic magnonic computers inspired by the functionality of our brain.”How it worksThe nanocircuit components measures less than one micrometer, far thinner than a human hair and hardly visible even under a microscope. It comprises of three nanowires made of a magnetic material called yttrium iron garnet. The wires are positioned precisely in relationship to each other to create two “directional couplers,” which guide magnons through the wires. Magnons are quanta of spin waves – think of them like ripples on the surface of pond after throwing in a rock, but in this case, the waves are formed by distortions in the magnetic order of a solid material on the quantum level. It took a lot of time and effort to figure out the best nanowire length and spacing to generate the desired outcomes. Wang worked on the project for his Ph.D. at TUK. “This is the 3rd or 4th design,” he says. “I ran a few hundred simulations for different types of half-adders.”At the first coupler, where two wires are very close together, the spin wave is split in half. One half proceeds to the second coupler, where it jumps back and forth between the wires. Depending on the amplitude, the wave will exit either the top or bottom wire, which corresponds to binary “1” or “0”, respectively. Since the circuit contains two directional couplers that add together two streams of information, it forms a “half-adder,” one of the most universal components of computer chips. Millions of these circuits can be combined to conduct increasingly complex calculations and functions. “What typically requires hundreds of components and 14 transistors in regular computers, here only requires three nanowires, a spin wave, and nonlinear physics,” Pirro says.  Future applicationsPirro, who is currently leading the direction of spintronic computing at TUK in the frames of the collaborative research center “Spin+X”, will now explore using the magnon circuit for neuromorphic computing, which approaches data processing not as binary, but more like the human brain. Spin waves are much better suited for the more complex systems and have the potential to carry a great deal more information because they have two parameters – amplitude, which is wave height, and phase, which is the wave angle. In the current demonstration, the team did not use phase as a variable in order to keep it simple for binary data processing.  “If this device can already compete with CMOS, even if it is not using the full power of the wave-based approach, then we can be quite confident a scheme using the full power of the spin wave can be more efficient than CMOS for certain tasks,” Pirro says. “And the ultimate goal, of course, is to combine the strengths of both CMOS and magnonics technologies together.”

Information about the published paper:

Q. Wang, M. Kewenig, M. Schneider, R. Verba, F. Kohl, B. Heinz, M. Geilen, M. Mohseni, B. Lägel, F. Ciubotaru, C. Adelmann, C. Dubs, S. D. Cotofana, O. V. Dobrovolskiy, T. Brächer, P. Pirro, and A. V. Chumak, “A magnonic directional coupler for integrated magnonic half-adders,” Nature Electronics 2018 1:1, vol. 43, pp. 264001–10, Oct. 2020.

Questions to:
Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro 

Technische Universität Kaiserslautern   

Tel.: +49 631 205 4092     

E-Mail:  ppirro[at]physik.uni-kl.de

Univ.-Prof. Dr. habil. Andrii Chumak

Universität Wien

Tel.: +43 1 4277-73910

E-Mail: andrii.chumak[at]univie.ac.at

One of the highlights of the retreat was the Spin+Digitization block event. The doctoral students networked with Mattermost and created a communication platform for themselves, in order to improve the networking between the two universities.

At the end of the event, new student speakers were elected - we welcome Eva Walther and Hendrik Meer. Many thanks to Tobias and Steinn Ymir for their commitment over the last two years.

 
Der Festkörperphysiker Prof. Dr. Mathias Kläui ist zum Fellow der American Physical Society (APS) gewählt worden. Kläui erhält die Auszeichnung nach Mitteilung der APS für seine experimentellen Studien magnetischer Materialien, des Spintransports und der Dynamik und Manipulation von Spintexturen auf der Nanoebene. Kläui leitet an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) eine Arbeitsgruppe, die sich mit der Zukunftstechnologie Spintronik befasst. Die Spintronik nutzt neben der elektrischen Ladung auch das magnetische Moment der Elektronen und gilt als vielversprechende Technologie, um Halbleiter in verschiedenen Anwendungen zu ersetzen, wenn diese Technologie an ihre Grenzen stößt.
 
Mathias Kläui hat Mathematik und Physik an der RWTH Aachen und der University of Cambridge, Großbritannien, studiert. In Cambridge hat Kläui später in Physik auch promoviert, bevor er als Postdoc am IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon in der Schweiz tätig wurde. Nach Stationen an der Universität Konstanz und in der Schweiz wurde er im Jahr 2011 an die Johannes Gutenberg-Universität Mainz berufen. Hier war Kläui seit 2012 Direktor der Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ). Seit 2016 ist er Standortsprecher des Sonderforschungsbereichs TRR173 Spin+X und seit 2019 Sprecher des Profilbereichs TopDyn – Dynamics and Topology. 2014 wurde er Gründungsdirektor des Gutenberg Nachwuchskollegs (GNK), das sich der Förderung herausragender Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler widmet.
 

Forschungen im Bereich Nanomagnetismus ausgezeichnet

 
2011 erhielt Mathias Kläui den Nicholas Kurti-Preis, eine Auszeichnung für seine Forschung im Bereich Nanomagnetismus. 2014 wurde er für herausragende Beiträge zum Nanomagnetismus und der Spindynamik zum Fellow des Institute of Physics ernannt. Im Oktober 2019 verlieh ihm die IEEE Magnetics Society, der weltweit größte Fachverband für Magnetismus, die Auszeichnung als „Distinguished Lecturer 2020“.
 
Für seine Forschungsarbeiten erhielt der Physiker verschiedene Förderungen, insbesondere auch seitens der EU: 2009 und 2015 bewilligte der Europäische Forschungsrat Kläui einen ERC Starting Grant und einen Proof of Concept Grant für die Untersuchung von Spinströmen und die Entwicklung neuartiger Magnetsensoren – um damit eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und kommerzieller Anwendung zu schlagen. Schließlich erhielt der Wissenschaftler im vergangenen Jahr gemeinsam mit seinen Kooperationspartnern am Forschungszentrum Jülich und der Radboud University im niederländischen Nimwegen einen der hoch begehrten ERC Synergy Grants. In diesem ERC-Projekt wollen die Partner noch weitgehend unbekannte nanoskalige magnetische Strukturen in drei Dimensionen aufspüren, die teilchenähnliche Eigenschaften besitzen und deren Existenz bislang nur in Grundzügen theoretisch vorhergesagt wurde.
 
Die American Physical Society mit über 55.000 Mitgliedern gehört mit der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) zu den größten wissenschaftlichen Gesellschaften in der Physik. Sie wurde 1899 gegründet und hat die Aufgabe, das physikalische Wissen voranzutreiben und zu verbreiten. In den Status eines Fellows erhebt die Fachgesellschaft jedes Jahr höchstens ein halbes Prozent ihrer Mitglieder, also derzeit etwa 275 Personen. Die Wahl gilt als besondere Ehre, weil die Antragsprüfung komplett durch die jeweiligen Fachkollegen erfolgt. Ausgezeichnet werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die wesentliche Fortschritte in der Grundlagenforschung erzielt oder wichtige Beiträge zur wissenschaftlichen oder technologischen Anwendung geleistet haben.
 
 

Bildmaterial:

Prof. Dr. Mathias Kläui
Foto/©: Peter Pulkowski
 
 

Weiterführende Links:

– Kläui-Lab am Institut für Physik
– Exzellenz-Graduiertenschule „Materials Science in Mainz" (MAINZ)
– Profilbereich TopDyn
– Sonderforschungsbereich Spin+X
– American Physical Society
 
 

Kontakt:

Prof. Dr. Mathias Kläui
Physik der Kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23633
E-Mail: klaeui@uni-mainz.de

 
 

Lesen Sie mehr:

– Pressemitteilung „ERC-Förderung für die Erforschung von dreidimensionalen magnetischen Nanostrukturen“ (11.10.2019)
– Pressemitteilung „Festkörperphysiker Mathias Kläui erhält ERC Proof of Concept Grant für Entwicklung neuartiger Magnetsensoren für Anwendungen mit Tausenden Umdrehungen“ (03.03.2015)
– Pressemitteilung „Mathias Kläui zum Fellow des Institute of Physics ernannt“ (04.12.2014)
– Pressemitteilung „Mainzer Stipendiaten geben ehrenamtlich Nachhilfe“ (27.01.2014)
– Pressemitteilung „Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz erhält Nicholas Kurti-Preis 2011“ (06.07.2011)

Joint SPICE-Spin+X Seminars
Starting on May 20, a new online seminar on spintronics and related research areas is introduced in cooperation with the Spin Phenomena Interdisciplinary Center (SPICE). The series takes place on a weekly basis Wednesdays at 3 p.m. The talks are given by international speakers with expertise on spintronics and related areas of research. The first talk on “Antiferromagnetic spintronics: from memories to ultra-fast optics and topological transport” is given by Tomas Jungwirth from the Institute of Physics of the Science Academy of the Czech Republic in Prague. Carlo Beenakker from Leiden University follows on May 27. Detailed information on the seminar schedule and individual lectures can be found on the corresponding

Die rasche Abkühlung von Magnon-Partikeln erweist sich als überraschend effektive Methode, um einen schwer fassbaren Quantenzustand der Materie, ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, zu erzeugen. Diese Erkenntnis kann dazu beitragen, die quantenphysikalische Forschung voranzutreiben und ist außerdem ein Schritt in Richtung des langfristigen Ziels des Quantencomputings bei Raumtemperatur. 
 
Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat einen unkomplizierten Ansatz gefunden, um einen außergewöhnlichen Zustand der Materie, ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat, auszulösen. Das neue Verfahren, das kürzlich in der Zeitschrift Nature Nanotechnology beschrieben wurde, soll die Forschung und Entwicklung des Quantencomputings bei Raumtemperatur voranbringen. 

Das Team, das von Physikern der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) in Deutschland und der Universität Wien in Österreich geleitet wird, erzeugte das Bose-Einstein-Kondensat (BEC) durch eine plötzliche Temperaturänderung. Die Quasi-Partikel werden zunächst langsam aufgeheizt und dann schnell wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Sie präsentierten das Verfahren mit Hilfe von Quasi-Teilchen, die als Magnonen bezeichnet werden und die Quanten magnetischer Anregungen eines Festkörpers darstellen.

„Viele Forscher untersuchen verschiedene Arten von Bose-Einstein-Kondensaten“, erläutert Professor Burkard Hillebrands von der TUK, einer der führenden Forscher auf dem Gebiet des BEC. „Der neue Ansatz, den wir entwickelt haben, sollte für viele Systeme funktionieren.“ 

Rätselhaft und spontan

Bose-Einstein-Kondensate, benannt nach Albert Einstein und Satyendra Nath Bose, die erstmals ihre Existenz vermuteten, sind eine rätselhafte Art von Materie. Es handelt sich um Teilchen, die sich auf der Quantenebene spontan alle gleich verhalten und im Wesentlichen zu einer Einheit werden. Ursprünglich zur Beschreibung idealer Gasteilchen verwendet, wurden Bose-Einstein-Kondensate sowohl mit Atomen als auch mit Quasi-Teilchen wie Bosonen, Phononen und Magnonen gebildet. 

Die Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten ist eine knifflige Aufgabe, da sie per Definition spontan entstehen müssen. Die Voraussetzungen für die Erzeugung der Kondensate zu schaffen, bedeutet, keine Ordnung oder Kohärenz herbeizuführen, die die Partikel zu gleichem Verhalten anregt; die Partikel müssen dies eigenständig tun. 

Zurzeit werden Bose-Einstein-Kondensate durch Absenken der Temperatur bis nahe an den absoluten Nullpunkt oder durch Injektion einer großen Anzahl von Teilchen bei Raumtemperatur in ein kleines Volumen erzeugt. Das Raumtemperaturverfahren, über das Hillebrands und seine Mitarbeiter erstmals 2005 berichteten, ist jedoch technisch komplex, und nur wenige Forschungsteams auf der ganzen Welt verfügen über die benötigte Ausrüstung und das erforderliche Know-how. 

Das neue Verfahren hingegen ist viel einfacher. Man benötigt eine Wärmequelle und eine winzige magnetische Nanostruktur, die hundert Mal kleiner ist als die Dicke eines menschlichen Haares. 

„Unsere jüngsten Fortschritte bei der Miniaturisierung von magnonischen Strukturen auf den nanoskopischen Maßstab ermöglichten es uns, das BEC aus einer ganz anderen Perspektive zu betrachten“, erklärt Professor Andrii Chumak von der Universität Wien. 

Die Nanostruktur wird langsam auf 200°C erhitzt, um Phononen zu erzeugen, die ihrerseits wiederum Magnonen gleicher Temperatur erzeugen. Die Wärmequelle wird abgeschaltet, und die Nanostruktur kühlt innerhalb von etwa einer Nanosekunde schnell auf Raumtemperatur ab. Hierbei entweichen die Phononen zum Substrat, aber die Magnonen sind zu langsam, um zu reagieren, und bleiben innerhalb der magnetischen Nanostruktur. 

Michael Schneider, leitender Autor und Doktorand in der Magnetismus-Forschungsgruppe der TUK, erklärte die Gründe dafür: „Wenn die Phononen entkommen, wollen die Magnonen die Energie reduzieren, um im Gleichgewicht zu bleiben. Da sie die Anzahl der Teilchen nicht vermindern können, müssen sie die Energie auf eine andere Art und Weise reduzieren. Daher fallen sie alle auf das gleiche niedrige Energieniveau.“ 

Indem sie spontan alle das gleiche Energieniveau einnehmen, bilden die Magnonen ein Bose-Einstein-Kondensat. 

„Wir haben nie Kohärenz im System forciert“, erläutert Andrii Chumak, „daher ist dies ein sehr reiner und klarer Weg, um Bose-Einstein-Kondensate herzustellen“. 

Unerwartete Ergebnisse 

Wie so häufig in der Wissenschaft, hat das Team diese Beobachtung ganz zufällig gemacht. Sie wollten zunächst einen anderen Aspekt der Nanoschaltungen untersuchen, als sonderbare Dinge passierten. 

„Zuerst dachten wir, dass mit unserem Experiment oder der Datenanalyse wirklich etwas nicht stimmt“, erklärt Michael Schneider. 

Nach einer Besprechung des Projekts mit Partnern an der TUK und in den USA wurden einige experimentelle Parameter optimiert, um herauszufinden, ob es sich bei dem ungewöhnlichen Phänomen tatsächlich um ein Bose-Einstein-Kondensat handelt. Diese Überprüfung wurde mit Hilfe von Spektroskopietechniken durchgeführt. 

Das Ergebnis wird in erster Linie andere Physiker interessieren, die diesen Zustand der Materie untersuchen. „Allerdings könnte die Veröffentlichung von Informationen über Magnonen und ihr Verhalten in einer Art makroskopischem Quantenzustand bei Raumtemperatur einen Einfluss auf die Entwicklung von Computern haben, die Magnonen als Datenträger verwenden“, sagt Burkard Hillebrands. 

Andrii Chumak unterstrich die Bedeutung der Zusammenarbeit innerhalb der Landesforschungsinitiative OPTIMAS der TUK und des Sonderforschungsbereiches „Spin+X“ gemeinsam mit der Universität Mainz zur Lösung des Rätsels. Die Zusammenführung der Fachkenntnisse seines Teams in Bezug auf magnonische Nanostrukturen mit der Expertise von Hillebrands hinsichtlich Magnon-Bose-Einstein-Kondensate war unerlässlich. Ihre Forschung wurde durch zwei Stipendien des Europäischen Forschungsrats (ERC) erheblich gefördert. 

Ursprüngliche �ձ��ö�ڴڱ�Գٱ�������ܲԲ�: 
M. Schneider, et al., Bose-Einstein Condensation of Quasi-Particles by Rapid Cooling, Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/s41565-020-0671-z, (2020) 

Wissenschaftlicher Kontakt: 
Univ.-Prof. Dr. Andrii Chumak

Nanomagnetism and Magnonics, Faculty of Physics, University of Vienna

Boltzmanngasse 5, 1090 Wien

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Tel.: +43-1-4277-73910

Mobil: +43-664-60277-73910

Internet: 

Prof. Dr. Burkard Hillebrands

AG Magnetismus, Fachbereich Physik, Technische Universität Kaiserslautern

Erwin-Schrödinger 56, 67663 Kaiserslautern

E-Mail: �󾱱������(����)���������.�ܲԾ�-���.���

Tel.: +49 631 205-4228

Internet:  

Informationen zur Förderung: 
Die Forschung wurde im Rahmen des ERC Starting Grant MagnonCircuits (A. Chumak), des ERC Advanced Grant Super-Magnonics (B. Hillebrands) und des Sonderforschungsbereichs SFB 173 Spin+X durchgeführt.

Bildrechte:  Dr. Andrii Chumak, Technische Universität Kaiserslautern/ Universität Wien

It is for spin research that we can stream music and videos despite the huge amount of data or that we can brake cars safely thanks to the anti-lock braking system. These findings have been incorporated into the development of new technologies for many years. For example, spin research has shaped hard drive development since the beginning of the computer age and today influences the evolution of new magnetic memory chips and sensors.

Scientifically spoken, the term spin is understood to mean the angular momentum of a quantum particle, for example, an electron or proton. "Spin is a purely quantum mechanical phenomenon and forms the basis for all magnetic processes," says CRC spokesperson Professor Dr. Martin Aeschlimann from the University of Kaiserslautern (TUK). This is interesting, for example, for the rapid storage of large amounts of data and for the development of modern magnetic sensors in cell phones and automobiles.

The team in Kaiserslautern and Mainz covers the entire spectrum of spin research within its research areas. These range from fundamental physical questions to functional and technologically oriented work, such as the development of new types of components that use spin waves as information carriers to transmit data.

In addition, the promotion of young researchers is a core interest of the CRC. The integrated "Spin+X Young Researcher College" trains young scientists both professionally and across disciplines. This is possible thanks to the interdisciplinary collaboration of the different working groups at both locations.

But also the inclusion of students in the research is an important cornerstone. And in order to bring the topic of spin closer to the general public, new technologies such as virtual and augmented reality, various communication networks and social media are being used as part of the "Spin+X Outreach Project".

The Collaborative Research Center at both locations is closely involved in the Rhineland-Palatinate research initiative, which promotes top-level research and profile building at universities. Accordingly, the Vice President for Research and Technology at the TUK, Professor Dr. Arnd Poetzsch-Heffter, is delighted: “The extension of the CRC Spin+X is an outstanding success and demonstrates our research strength in the field of spin, light and matter. In addition, it stands for the many years of successful cooperation with JGU Mainz in this area. "

The Transregional CRC "Spin+X - Spin in its collective environment" was approved for the first time in 2016. The second funding phase begins in January 2020. It is funded by the DFG with ten million euros. The three departments of Physics, Chemistry and Mechanical and Process Engineering are involved at the TU Kaiserslautern. At the Johannes Gutenberg University Mainz, the Institutes for Physics as well as for Inorganic Chemistry and Analytical Chemistry are involved.

Starting next year, spin research in Kaiserslautern will be bundled in a new research building on the TUK campus, the Laboratory for Advanced Spin Engineering, or LASE for short. Around 100 researchers from physics, chemistry and engineering will investigate spin phenomena there.

Contact:
Dr.-Ing. Aneta Daxinger, Dr. Linda Hofherr
Management CRC/TRR Spin+X
Phone: 0631 205-3576
Email: spin_gf(at)uni-kl.de

Questions such as how particles emerge into the world, what their properties are, and how they interact in external fields are central topics in physics. They are relevant in subjects that range from astronomical dimensions, where they apply to stars, exoplanets and black holes in gravitational fields, to the subatomic scales of elementary particles. Between these dimensions are atoms, molecules, and other nanoscale particles such as so-called magnetic topological solitons, which are governed by the laws of quantum mechanics and electromagnetism.

Still puzzling: Three-dimensional magnetic solitons

The topological magnetic solitions that will be studied in the ERC Synergy Grant are magnetic whirls only a few nanometers large that can be present in particular solid state systems and about which little is known today.

"The first magnetic vortices that were detected can be regarded as two-dimensional objects. We are now at a threshold where it will be possible to experimentally study three-dimensional vortex-like structures. One of our goals is to extend our methods of electron holography for this purpose," explained Professor Rafal Dunin-Borkowski, principal investigator of the project and Director of the Ernst Ruska-Centre and the Peter Grünberg Institute at Forschungszentrum Jülich.

In "3D MAGiC", the researchers want to investigate particles that may have an even greater potential. Among other things, the focus is on so-called hopfions: "These novel particles can be imagined as twisted or knotted shoelaces. The more loops they contain, the higher the Hopf number," said Stefan Blügel, Head of the Institute for Advanced Simulation und Director of the Peter Grünberg Institut at Forschungszentrum Jülich.

These objects are interesting for future applications: According to theoretical considerations, the Hopf number can assume many different values, which makes these novel particles highly effective as information carriers. If many such particles are collected in a material, then a large store of information can be created. Their spatial extent makes it possible to cross-link them in a variety of ways via spin waves in all three spatial dimensions – a concept that cannot be realized in two dimensions. For this reason, hopfions may be suitable candidates for innovative approaches in the field of neuromorphic computing, taking inspiration from the human brain, which is very highly connected. Such topics are also currently investigated in the Research Center for Emergent Algorithmic Intelligence at JGU, which was recently founded with funding from the Carl Zeiss Foundation.

ERC project complements the top-level research area TopDyn – Topology and Dynamics

Magnetic heterostructures to host such magnetic solitons will be fabricated in the group of Professor Mathias Kläui at Mainz University. These quasi-particles will then be characterized by highly time-resolved microscopy based on electrons and x-rays. "I am extremely pleased about the possibility to develop this exciting area of research with these excellent colleagues. The major scientific potential of these often topologically non-trivial solitons complements perfectly our research in TopDyn – Topology and Dynamics, which is funded by the state of Rhineland-Palatinate."

The fourth partner, Professor Theo Rasing of Radboud University in Nijmegen, is a specialist in the ultrafast manipulation and characterization of magnetic nanostructures using laser pulses and will, among other things, investigate how lasers can be used for unconventional computing using 3D nanoscale particles such as hopfions. As an additional partner from outside Europe, Professor Xiaoyan Zhong from Tsinghua University in Beijing, China, is involved in the further development of the characterization methods.

Largest funding scheme for groundbreaking pioneering research

ERC Synergy Grants are the largest funding scheme in terms of awarded funds of up to EUR 10 million, in exceptional cases up to EUR 14 million for six years. In this round, 37 projects were funded based on proposals of two to four principal investigators. The funding is awarded strictly on the basis of scientific excellence of the research topic and the team that has to have already demonstrated outstanding work.

Mathias Kläui studied mathematics and physics at RWTH Aachen University and the University of Cambridge, UK. He did his Ph.D. in Cambridge before a postdoctoral stay at IBM Rüschlikon near Zurich in Switzerland. After stays in Konstanz and in Switzerland he was appointed as full Professor at Johannes Gutenberg University Mainz in 2011. Here he has been Director of the Graduate School of Excellence Materials Science in Mainz since 2012 and Director of TopDyn – Topology and Dynamics since 2019. TopDyn was founded with support from the Research Initiative of the State of Rhineland-Palatinate. In 2014, Kläui became the founding director of the Gutenberg College for Young Researchers (CYR), which supports young researchers at Mainz University.

Contact:
Professor Dr. Mathias Kläui

Condensed Matter Theory Group

Institute of Physics

Johannes Gutenberg University Mainz

55099 Mainz, GERMANY

phone +49 6131 39-23633

e-mail: klaeui[at]uni-mainz.de

Dr. Markus Haack

TopDyn – Topology and Dynamics

Johannes Gutenberg University Mainz

55099 Mainz, GERMANY

phone +49 6131 39-20490

e-mail: TopDyn[at]uni-mainz.de

The EMA regularly hosts the largest European conference about magnetism - the Joint European Magnetic Symposia (JEMS). Furthermore, the organization offers young scientists the opportunity to participate every two years in the European School of Magnetism (ESM) and additionally connects education and basic research at universities to magnetic applications in industry. For the upcoming term, Professor Hillebrands is aiming to increase the support for young scientists, to improve inter-European collaborations and to strengthen the external networking. 

Together with his group in Kaiserslautern, the Spin+X physicist investigates the field of magnonics, in particular magnonic macroscopic quantum states with a special focus on supercurrents and superfluidity. These excitations can transport more information than electrons and simultaneously require significantly less energy. This research can potentially become very important for technical applications: In the future, saving and processing data is expected be much more efficient. Next to his interdisciplinary work in Spin+X, Burkard Hillebrands has been granted a prestigious ERC Advanced Grant for his achievements on this field, one of the highest remunerated awards of the European Union.
 

Questions are answered by: 
Prof. Dr. Burkard Hillebrands
Magnetism Group
E-Mail: hilleb(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631-205-4228
Secretary: Sibylle Müller
E-Mail: smueller(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4262

Former PhD students who achieve a degree "with distinction" and manage to coplete the MAINZ certificate are candidates for nomination by their supervisors. Supervisors will be informed by MAINZ to hand in a letter of nomination, a PDF version of the written thesis, the reports on the written thesis and the grading sheet of the PhD degree at the MAINZ Office. The MAINZ steering committee selects the recipients of the award from all nominations.

MAINZ Awardees are honored in a joint MAINZ Award Ceremony with MAINZ Visiting Professors. This year's awards are granted to Dr. Fabian Letscher (AG Fleischhauer, TU Kaiserslautern) and two Spin+X Ph.D students Dr. Kai Litzius (AK Mathias Kläui, JGU Mainz) and Dr. Alexey Sapozhnik (AK Hans-Joachim Elmers, JGU Mainz). We are proud of our Awardees and congratulate all recipients.

Zehn Schüler treten an der TU Kaiserslautern zur Endrunde des Landeswettbewerbs Physik an. Sie müssen dabei eine zuvor erstellte Hausarbeit vorstellen und in einem Kolloquium die Ergebnisse ihrer Arbeit aufzeigen. Darüber hinaus sind sie aufgefordert, im Labor zwei Experimente eigenständig durchzuführen und auszuwerten. Die Leistungen beim Experimentieren, dem Kolloquium und der Hausarbeit werden zu gleichen Teilen gewertet und entscheiden schließlich, wer den Wettbewerb gewinnt.

Der Sieger wird vom Fachbereich Physik zu einem Praktikum eingeladen, bei dem er Einblick in die Laborarbeit erhält.

Parallel zu dem Wettbewerb gibt es für eine Reihe ausgesuchter Schülerinnen und Schüler ein Physikseminar. In Vorlesungen und Experimenten erhalten sie zusammen mit den Wettbewerbsteilnehmern Einblick in die Physik-Forschung. Es geht unter anderem darum, wie ein Rastertunnelmikroskop Atome sichtbar macht, wie man ein Smartphone als Minilabor nutzen kann oder mit welchen Methoden sich Lichtwellen messen lassen. Darüber hinaus erhalten alle Teilnehmer Informationen zum Frühstudium Physik (FiPS) und zu den Studiengängen Physik, Biophysik und TechnoPhysik, die der Fachbereich Physik an der TU Kaiserslautern anbietet.

Die Schülerinnen und Schüler besuchen verschiedene Gymnasien in Rheinland-Pfalz. Diejenigen, die nicht am Wettbewerb teilnehmen, aber das Physikseminar der TU Kaiserslautern besuchen, wurden von ihren Schulen vorgeschlagen. Von jeder Schule, die in der Endrunde vertreten ist, darf eine weitere Schülerin oder ein Schüler das Seminar besuchen.

Der Landeswettbewerb Physik wurde vom Land Rheinland-Pfalz ins Leben gerufen. Er wird vom Ministerium für Bildung, Wissenschaft,Weiterbildung und Kultur, den Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaft (OPTIMAS), den Sonderforschungsbereichen SFB-TR185 (OSCAR - Open System Control of Atom and Photonic Matter) und SFB-TR173 (SPIN+X – Spin in its collective environment), der Stiftung Pfalzmetall, dem Lionsclub Kaiserslautern sowie der Kreissparkasse Kaiserslautern gefördert.

Fragen beantwortet:
Anett Fleischhauer
Dekanat Physik
Tel.: 0631 205-5251
E-Mail: afleisch[at]physik.uni-kl.de

Der Inhalt dieser Schule wird eine Mischung aus Elektronen-, Spin- und Strukturdynamik in kondensierter Materie sein. Etwa 100 junge Nachwuchswissenschafter werden als Teilnehmer erwartet. Dabei werden die Studenten von international renommierten Wissenschaftlern in 90-minütigen Vorlesungen unterrichtet, um ihnen anschließend in einer speziellen "Poster-Session" in einer entspannten und persönlichen Atmosphäre Frage und Antwort zu stehen.

Die Liste der Unterrichtenden beinhaltet:

Christian Flindt, Aalto University, Finland
Tomas Jungwirth, Czech Academy of Science, Praha, Czech Republic
Tobias Kampfrath, Fritz-Haber-Institute, Berlin, Germany
Reinhard Maurer, University of Warwick, Great Britain
Lukasz Plucinski, Forschungszentrum Jülich, Germany
Helmut Schultheiß, Dresden University of Technology, Germany
Brad Siwick, McGill University, Montreal, Canada
Sangeeta Sharma, Max-Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy, Berlin, Germany
Søren Ulstrup, Aarhus University, Denmark
Martin Weinelt, Free University of Berlin, Germany

Die Auszeichnung wurde dem Kaiserslauterer Professor im Rahmen des DVM-Tages am 27. März 2019 in Berlin verliehen.

Der zweite Teil der Veranstaltung war eine experimentelle Präsentation von Anwendungen des Magnetismus, vorgestellt und erläutert von Prof. Kläui (siehe Bild). Anschließend konnte das Publikum die meisten Experimente selbst ausprobieren, einschließlich Demonstrationen von Wirbelstrombremsen, Ferrofluiden, Magnetspachtelmasse und Kerr-Mikroskopie. Eine schwebende supraleitende Schiene erhielt ebenfalls viel Aufmerksamkeit. Mitglieder der Experimentalgruppe von Herrn Kläui konnten dann weitere Fragen zu jedem Experiment beantworten, sodass die Teilnehmer sich eingehender mit dem Thema befassen und weitere spannende Diskussionen beginnen konnten. Theoretiker der Gruppe von Frau Everschor-Sitte versorgten das Publikum mit köstlichem Eis, das aus flüssigem Stickstoff hergestellt wurde.

Neben den Informationen über das Studium wurde am "Science Square" auch die aktuelle Forschung an der JGU vorgestellt. In diesem Rahmen zeigte Spin+X unter der Leitung des Outreach Projektes folgende Demonstratoren zu den Themen Spin und Magnetismus:

• ein Smartboard mit einer Animation von Spinwellenein
• Modell des Taipeh-Towers, dessen Aufzüge durch GMR-Sensoren gesteuert werden
• eine Festplatte mit transparentem Deckel, durch den man den Lesekopf mit einem GMR-Sensor beobachten kann
• ein Freihand-Experiment zur Umwandlung der Magnetisierung in Stahl unter Belastung und eine Modelleisenbahn zur Verdeutlichung einer möglichen Anwendung dieser Forschung

Junge Forscherinnen und Forscher von SPIN+X betreuten den Stand und lieferten einen lebhaften Einblick in die faszinierende Welt der Erforschung von Spin und seinen Anwendungen.

SPIN + X förderte die Veranstaltung und ermöglichte auf diese Weise eine einladende Atmosphäre für Frauen an der TUK. SPIN+X leistet so einen Beitrag auf dem Weg zum Ziel einer zahlenmäßigen Gleichstellung von Frauen und Männern in der Physik.

Die Spin+X Young Researchers haben neue studentische Sprecher gewählt: Tobias Eul wird Ansprechpartner für die Studierenden in Kaiserslautern sein, für die Mainzer ist es Steinn Ymir Agustsson.

SPIN+X bot beim Schülerinnentag der TUK am 27.9.2018 zwei Workshops an.

Am 27. September 2018 lud die Technische Universität Kaiserslautern (TUK) zum jährlichen Schülerinnentag ein. Mädchen der 10. bis 13. Klasse bekommen an diesem Tag die Möglichkeit, an verschiedenen Workshops und Vorträgen aus unterschiedlichen Fachbereichen an der TUK teilzunehmen, um ihr Interesse und ihre Begeisterung für die Natur- und Ingenieurswissenschaften zu wecken oder zu vertiefen. SPIN+Xtrug zum wiederholten Male mit zwei Workshops zum Programm bei: Bei einem experimentellem Workshop, organisiert vonSPIN+XTeilprojektleiter Philipp Pirro, konnten die Schülerinnen eigene Erfahrung mit Experimenten zu Spin und Magnetismus machen und zum Beispiel einen Mini-Elektromotor bauen. Unter der Leitung des Outreach-Projekts von SPIN+X(in Kooperation mit dem SFB/TRR 185 OSCAR) fand außerdem ein "Science Speed Dating" statt. Dabei saßen 8 bis 15 Schülerinnen ebenso vielen Gesprächspartner*innen (Alumni der TUK aus der Wirtschaft und wissenschaftliche Mitarbeiter*innen), gegenüber. Wie bei einem Speed Dating tauschte sich jedes Gesprächspaar etwa 5 Minuten lang aus, dann wurde zum nächsten Partner bzw. zur nächsten Partnerin gewechselt. Die Schülerinnen erhielten so in kurzer Zeit einen möglichst breiten Einblick, in die möglichen Berufsfelder für Physiker*innen in der Wirtschaft oder in der Wissenschaft. Außerdem konnten sie sich durch die Gelegenheit, in einem entspannten eins-zu-eins-Gespräch ihre eigenen Fragen zu stellen, eine Vorstellung vom Arbeitsalltag von Physiker*innen machen.

SPIN+X nahm mit verschiedenen Demonstratoren am 17. Mainzer Wissenschaftsmarkt am 8. und 9. September teil.

In der Innenstadt von Mainz fand am 8. und 9. September 2018 der 17. Wissenschaftsmarkt statt. Bei dieser Veranstaltung bringen Universitäten, Forschungseinrichtungen und Firmen der Region ihre aktuellen Forschungsprojekte in großen Zelten der Öffentlichkeit auf spannende und unterhaltsame Weise näher.Unter der Leitung des Outreach Projektes zeigte SPIN+X folgende Demonstratoren zu den Themen Spin und Magnetismus:

• ein Smartboard mit einer Animation von Spinwellen und einem magnonischen "Majority Gate"
• ein Modell des Taipeh-Towers, dessen Aufzüge durch GMR-Sensoren gesteuert werden
• eine Festplatte mit transparentem Deckel, durch den man den Lesekopf mit einem GMR-Sensor beobachten kann
• ein Freihand-Experiment zur Umwandlung der Magnetisierung in Stahl unter Belastung und eine Modelleisenbahn zur Verdeutlichung einer möglichen Anwendung dieser Forschung.

Junge Forscherinnen und Forscher von SPIN+X betreuten den Stand und lieferten einen lebhaften Einblick in die faszinierende Welt der Erforschung von Spin und seinen Anwendungen.

SPIN+Xtrug vom 3. bis 7. September in Mainz als Silver Sponsor zur "Joint European Magnetic Symposia" (JEMS) Konferenz bei, u.a. mit dem "Women in Magnetism" Empfang.

Vom 3. bis 7. September nahmen rund 1000 Wissenschaftler*innen an der "Joint European Magnetic Symposia" (JEMS) Konferenz 2018 teil, der größten und wichtigsten europäischen Konferenz zum Thema Magnetismus. Ein breites Spektrum von Wissenschaftler*innen von Studierenden bis zu leitenden Professor*innen diskutierte die neuesten Fortschritte auf dem Gebiet des Magnetismus und magnetischer Materialien von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung. Vorsitzender des JEMS-Organisationskomitees war SPIN+XTeilprojektleiter Jairo Sinova.
SPIN+X fungierte als Silver Sponsor der Konferenz und veranstaltete am Dienstagabend den Empfang "Women in Magnetism", der Forscherinnen vom wissenschaftlichem Nachwuchs bis zu erfahrenen Wissenschaftlerinnen die Möglichkeit gab, ihr Netzwerk zu erweitern und zu vertiefen. Gastrednerinnen waren Julie Grollier vom National Center for Scientific Research (CNRS) in Paris und Laura Heyderman von der ETH Zürich. Die SPIN+X Teilprojektleiterinnen Bärbel Rethfeld und Karin Everschor-Sitte waren Gastgeberinnen des Events.
Das SPIN+X Outreach Projekt diskutierte am Mittwoch an einem eigenen Stand mit den teilnehmenden Forschenden Gelegenheiten und Möglichkeiten, deren Forschung der Öffentlichkeit und / oder Schüler*innen und Lehrkräften zu vermitteln, und zeigte dazu Best-Practice-Beispiele, die innerhalb von SPIN+X entwickelt wurden.

Am 31. August und 1. September (dem Wochenende vor der "Joint European Magnetic Symposia" (JEMS) Konferenz in Mainz) trafen sich die SPIN+X Teilprojektleiter*innen, um über die Forschungsausrichtung des SFB für die zweite Förderphase nach 2019 zu beraten.

Nach etwa dreiviertel der ersten Förderphase des Sonderforschungsbereichs trafen sich die Teilprojektleiter*innen von SPIN+Xin der Johannes Gutenberg Universität Mainz, um die Weichen für die zweite Förderphase zu stellen. Hochranginge internationale Forscher*innen aus dem Bereich Spin und Magnetismus waren als Gastredner und externe Gutachter eingeladen, um die Fortschritte des SFB zu präsentieren, fortzuführen und zu diskutieren.
Die SPIN + X-Forscher*innen hatten die Möglichkeit, die Highlights der einzelnen Projekte und die wissenschaftlichen Ergebnisse der projektübergreifenden "Supply Chains" sowohl in kurzen Übersichtsvorträgen als auch im Rahmen einer umfangreichen Poster-Session zu präsentieren. Nach zwei Tagen fruchtbarer Diskussionen über den wissenschaftlichen Fortschritt des SFBs und die möglichen Strategien für offene Fragen und Probleme für den zweiten Förderantrag gaben die eingeladenen Gutachter*innen wertvolle Rückmeldungen zu den Stärken und Schwächen von SPIN+X. Diese werden im letzten Jahr der aktuellen Förderphase berücksichtigt, um die Grundlagen für den neuen Förderungsantrag zu legen.

Am Mittwoch, den 22. August, öffnet das Schülerlabor "iPhysicsLab" an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) von 16 bis 19 Uhr seine Türen für große und kleine Gäste. Das Team um Professor Dr. Jochen Kuhn von der Didaktik der Physik lädt ein, selbst im Labor zu experimentieren und Einblicke in die Forschung zu erhalten. Das Schülerlabor gibt es bereits seit 2013 auf dem Kaiserslauterer Campus. Das Angebot richtet sich an Schülerinnen und Schüler, Lehrkräfte sowie Eltern. Es gibt nur eine begrenzte Anzahl von Plätzen, daher ist eine Anmeldung erforderlich. Wer Interesse hat, hat dazu bis zum 17. August Zeit.

Das Team des Schülerlabors zeigt unter anderem, wie Tablets und Smartphones als Mini-Labor zum Einsatz kommen: Sei es beispielsweise, um zu untersuchen, ab wann Musik schädlich für die Ohren ist, oder den Einfluss der Luftreibung bei einer Fallbewegung zu erforschen. Solche Daten sind beispielsweise auch für Fallschirmsprünge von Bedeutung. Zudem erfahren die Gäste, wie stark ein Elektromagnet wirklich ist oder wie sich Daten auf einer Festplatte mithilfe des Rasterkraftmikroskops sichtbar machen lassen, Experimente, die durch SPIN+Xgesponsert werden und mit der dortigen Forschung verknüpft sind.
Eine Anmeldung auf der Homepage des Schülerlabors unter  ist bis zum 17. August erforderlich. Wer selbst aktiv forschen möchte, kann sich dort außerdem für die Experimente anmelden. Diese werden in Kleingruppen durchgeführt; betreut vom Team um Professor Kuhn.
Das Physik-Schülerlabor "iPhysicsLab" bietet Experimente zu Akustik, Mechanik, Radioaktivität, Magnetismus und modernen Analysemethoden an. Bei vielen der Versuche kommen unter anderem Kameras und Sensoren von Tablets und Smartphones zum Einsatz. Das Angebot zielt darauf ab, die Themenfelder mit neuen Lerntechniken besser zu vermitteln. Schulklassen von Unter-, Mittel- und Oberstufe können für die Experimente auf den Campus kommen. Darüber hinaus hat der Fachbereich Physik Materialien entwickelt, die in den Unterricht eingebunden werden können. Das Team um Professor Kuhn bietet zudem regelmäßig Fortbildungsveranstaltungen für Lehrkräfte an.

Verschleiß, Korrosion, Materialermüdung - diese Abnutzungserscheinungen sind den meisten Werkstoffen gemein. Umso wichtiger ist es, Schäden früh zu entdecken, am besten schon im Mikrobereich. Dazu werden oft magnetische Prüfverfahren verwendet. Bei nichtmagnetischem Stahl war das bislang unmöglich. Forscher von SPIN+Xaus Kaiserslautern und Mainz haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem sie eine dünne magnetische Schicht auf Stahl aufbringen. Änderungen in der Mikrostruktur lassen sich so durch Veränderungen magnetischer Effekte aufspüren. Auch Werkstoffe wie Aluminium können so überprüft werden. Die Studie ist in der Fachzeitschrift Journal of Magnetism and Magnetic Materials erschienen.

Stahl zählt zu den meistgenutzten Werkstoffen. Er findet in vielen Varianten Verwendung, etwa als rostfreier Edelstahl, hochfester Vergütungsstahl oder preisgünstiger Baustahl. Stähle können magnetisch oder nichtmagnetisch sein. Sie kommen in Besteck, in Bauteilen von Fahrzeugen oder in Stahlträgern von Gebäuden und Brücken zum Einsatz. Mitunter ist Stahl hohen Temperaturen oder Spannungen ausgesetzt. "Dabei können mikrostrukturelle Änderungen, Risse oder Bauteilversagen die Folge sein", sagt Dr. Marek Smaga, der am Lehrgebiet für Werkstoffkunde bei Professor Dr. Tilmann Beck an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) forscht. Experten sprechen in diesem Zusammenhang von Materialermüdung. Solche Schäden sind zunächst nur auf der Mikroebene sichtbar. Mit magnetischen Prüfverfahren ist es bislang aber nicht möglich, bei nichtmagnetischem Stahl Veränderungen in diesem Bereich früh zu entdecken.
Genau daran arbeiten bei SPIN+X Ingenieure der TUK und Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und stellen in ihrer aktuellen Studie eine Lösung vor. Das Besondere: Sie machen sich magnetische Effekte zunutze, obwohl es sich um nichtmagnetisches Material handelt. "Bei magnetischem Stahl kann man auf diese Weise früh Veränderungen in der Struktur finden", erläutert der Kaiserlauterer Doktorand Shayan Deldar. "Bereits winzige Verformungen verändern die magnetischen Eigenschaften. Dies lässt sich mit spezieller Sensortechnik messen."
Die Forscher haben einen nichtmagnetischen Stahl mit unterschiedlichen, jeweils 20 Nanometer dünnen magnetischen Filmen beschichtet, die aus Terfenol-D, einer Legierung aus den chemischen Elementen Terbium, Eisen und Dysprosium, oder aus Permalloy, einer Nickel-Eisen-Verbindung, bestehen. Um im Anschluss zu überprüfen, ob sich Dehnungen des Stahls im mikroskopischen Bereich nachweisen lassen, haben die Forscher ein sogenanntes Kerr-Mikroskop verwendet. "Hierbei findet der sogenannte Kerr-Effekt Verwendung", erläutert Smaga das Verfahren, "mit dem sich die magnetischen Mikrostrukturen, die sogenannten Domänen, über die Drehung der Polarisationsrichtung von Licht abbilden lassen."
Die Wissenschaftler haben wenige Millimeter große magnetisch beschichtete Stahl-Plättchen untersucht, die zuvor einer mechanischen Belastung ausgesetzt waren. "Wir haben beobachtet, dass es zu einer charakteristischen Veränderung der magnetischen Domänenstruktur kommt", erklärt Privatdozent Dr. Martin Jourdan vom Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. "Die mikroskopischen Dehnungen im nichtmagnetischen Stahl führen dazu, dass sich die Magnetisierungsrichtung der dünnen Schicht verändert."
Im Vergleich zu gängigen Prüfverfahren bietet die Methode den Vorteil, Ermüdungserscheinungen schon deutlich früher auf der Mikroebene aufzuspüren. Die Methode der Forscher könnte künftig in neuen Prüftechniken Verwendung finden. Darüber hinaus ist es nicht nur für nichtmagnetischen Stahl interessant, auch andere Werkstoffe wie Aluminium, Titan und bestimmte Verbundwerkstoffe könnten mit einer solchen Schicht versehen werden.
Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift "Journal of Magnetism and Magnetic Materials" veröffentlicht: "Strain detection in non-magnetic steel by Kerr-microscopy of magnetic tracer layers". M. Jourdan, M.M.B. Krämer, M. Kläui, H.-J. Elmers, S. Deldar, M. Smaga, T. Beck. DOI:

Mehr als 80 Wissenschaftler aus Physik, Ingenieurwissenschaften und Materialwissenschaften kamen vom 28. bis 30. Mai in Kaiserslautern zu der hochkarätigen Core-to-Core Konferenz 2018 zum Thema "New Concept Spintronic Devices" zusammen, um ihre Ergebnisse zur Forschung und Entwicklung von Spintronikelementen für Computerchips und Sensoren auszutauschen.
Dieser Workshop wurde von Physikern der TU Kaiserslautern in Zusammenarbeit mit ihren internationalen Partnern aus Sendai, Japan (Tohoku University) und York, UK (York University) organisiert. Grundlage der Kooperation ist das japanisch / britisch / deutsche "Core-to-Core"-Programm, das auf deutscher Seite von der Deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) finanziert wird. Die "Core-to-Core"-Initiative zielt darauf ab, führende Forschungsgruppen nach dem so genannten "Best with Best"-Prinzip zusammenzubringen.
Ziel des Workshops war es, neue Trends in der Spintronik aufzuzeigen, nämlich neue Materialien für Nanospintronik-Elemente, Manipulation von Spins in ultraschnellen Zeitskalen für ultraschnelle Datenspeicherchips und die Umwandlung von Spins im Nanobereich unter Verwendung von Wärme, Licht und elektrischen Feldern. An der Universität Kaiserslautern forscht SPIN+X unter anderem in diesen Bereichen.
Die SPIN+X Teilprojektleiter Prof. Hillebrands und JProf. Evangelos Papaioannou organisierten gemeinsam die von der DFG finanzierte Konferenz. Unter den Gästen waren der neue Präsident der Tohoku Universität Sendai, Prof. Hideo Ohno und Prof. Kevin O'Grady von der York University, der im Rahmen des physikalischen Kolloquiums einen Vortrag mit Experimenten zu Ferrofluiden für die Mitglieder der TU Kaiserslautern hielt.

Under the direction of the science outreach project, SPIN+X participated in the event with the following demonstrators regarding spin and magnetism phenomena:

• a Smartboard with a spin wave animation
• a model of the Taipeh Tower, whose elevators are controlled with GMR sensors
• a hard disc drive with a glass lid through which the reading and writing head with a GMR sensor can be seen
• a hands-on experiment regarding the strain-induced transition of magnetization in steel and a model train as a demonstration of a possible application of this research

In seinem Vortrag mit dem Titel „Electron dynamics in silver after ultrafast laser-excitation“ wurde die Dynamik von Nichtgleichgewichtselektronen in Edelmetallen nach ultrakurzer Laseranregung vorgestellt. Ultrakurze (Femtosekunden) Laserpulse treiben die Elektronen aus dem thermischen Gleichgewicht. Die Beschreibung der Energieverteilung erfordert kinetische Modelle, die über temperaturbasierte Gleichungen hinausgehen und deren Lösung numerisch recht aufwendig ist. Untersucht wurden die Zeitskalen der Relaxationsprozesse, sowie der Einfluss des Nichtgleichgewichts auf die weitere Energiedissipation. Die Ergebnisse sind beispielsweise von Bedeutung für das Verständnis der optischen Anregung von Metallen und der spinabhängigen Elektronendynamik in Ferromagneten.

Ein sehr effizientes und gleichzeitig kostengünstigeres Verfahren haben nun Kaiserslauterer SPIN+X-Forscher entwickelt: Sie nutzen dabei einen sogenannten Spinstrom. Dieser ist analog zum elektrischen Strom, bei dem elektrische Ladungen, nämlich Elektronen, fließen. „Ein Spin bezeichnet den Eigendrehimpuls von Quantenteilchen wie zum Beispiel Elektronen“, sagt Juniorprofessor Dr. Evangelos Papaioannou, der am Lehrstuhl für Magnetismus bei Professor Dr. Burkard Hillebrands an der TUK im Fachbereich Physik forscht. „Er bildet die Grundlage für alle magnetischen Phänomene. Vereinfacht gesagt dreht sich ein Elektron wie ein Kreisel links- oder rechtsherum um seine Achse.“

Für die Technik hat das Team um Papaioannou eine spezielle Nanostruktur entwickelt. „Sie besteht aus einer Metall-Doppelschicht aus dem magnetischen Eisen und dem nichtmagnetischen Platin“, beschreibt der Physiker den Aufbau der Struktur. „Dabei handelt es sich um hauchdünne Schichten, die nur wenige Nanometer dick sind.“

Um die Terahertz-Wellen zu erzeugen, verwendet die Arbeitsgruppe um Juniorprofessor Papaioannou einen Femtosekundenlaser, der äußerst kurze Laserpulse aussendet. In der Folge passiert nun Folgendes: „Die Pulse treffen auf die Nanostruktur. Hier regen sie im Eisen die Elektronen an, wodurch ein Spinstrom entsteht“, so der Forscher. Dieser Strom fließt in die danebenliegende Platinschicht. Hier kommt es nun zu einem bestimmten physikalischen Phänomen, dem inversen Spin-Hall-Effekt. Für Platin ist dieser Effekt schon länger bekannt. Er entsteht aufgrund der atomaren Struktur des Metalls. „Die Atomkerne von Platin lenken Elektronen mit links- und rechtsdrehendem Spin in entgegengesetzte Richtungen ab, was zur Umwandlung des Spinstroms in einen ultraschnellen Ladungsstrom führt, der dann die Quelle der Terahertz-Wellen ist“, sagt Papaioannou.

Als Besonderheit des Versuchsaufbaus ist auf der Struktur eine kleine Linse aus Silizium angebracht. „Damit bündeln wir die Wellen“, so der Juniorprofessor weiter. Auf diese Weise könnten die Terahertz-Wellen bei künftigen Anwendungen einfach und effizient weitergeleitet werden.

In ihrer nun veröffentlichen Arbeit haben die Forscher unter anderem untersucht, wie die Schichtdicken und die Anordnung der Materialien am besten gestaltet sein müssen, um die THz-Wellen zu erzeugen. Das Forschungsgebiet der THz-Spintronik-Technik ist noch recht neu. Vor kurzem haben Berliner Forscherkollegen erstmals gezeigt, dass sich Terahertz-Wellen mittels Spinstrom erzeugen lassen. Die Studie der Kaiserslauterer Forscher zeigt nun, wie die Strahler so optimiert werden können, dass sie ihre maximale Effizienz erreichen können. Dies macht sie kostengünstiger und für verschiedene Anwendungsfelder interessant, beispielsweise für Sicherheitstechniken, Materialprüfung und Informationstechnologien, aber auch für die Grundlagenforschung.

Das Team um Papaioannou ist Teil des Landesforschungszentrums für Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), welches vom Land Rheinland-Pfalz finanziert wird. An der Studie waren auch Professor Dr. René Beigang und Dr. Garik Torosyan vom Photonic Center Kaiserslautern beteiligt. Beide Forscher sind Experten auf dem Gebiet der Terahertz-Wellen.
Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „SPIN+X“ sowie der Carl-Zeiss-Stiftung unterstützt. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht: „Optimized Spintronic Terahertz Emitters Based on Epitaxial Grown Fe/Pt Layer Structures“ DOI: 10.1038/s41598-018-19432-9

Fragen beantwortet:
Juniorprof. Dr. Evangelos Papaioannou
Tel.: 0631 205-4099
E-Mail: papaio(at)rhrk.uni-kl.de

SPIN+X nahm mit dem Vortrag „Zukunftstechnologie Spin-Elektronik – die vielfältige Quantenwelt von Festkörpern“ an der Veranstaltung teil. Neben dem Vortrag waren auch verschiedene Demonstratoren zu sehen. Eine Festplatte mit transparentem Deckel, durch den man den Lesekopf beobachten kann, ein Magnetkartenschreiber und -leser und Stahlplättchen, mit denen belastungsinduzierte Spinphänomene verdeutlicht werden können. Forscherinnen und Forscher von SPIN+X lieferten so einen lebhaften Einblick in ihre Arbeit im Bereich der Spintronik.

Wissenschaftlern des Sonderforschungsbereichs SPIN+X am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist nun ein wesentlicher Fortschritt gelungen: Wie im Online-Wissenschaftsjournal Nature Communications publiziert, konnten sie an dünnen Schichten der bereits bei hohen Temperaturen antiferromagnetisch ordnenden metallischen Verbindung Mn₂Au aus Mangan und Gold ein strominduziertes Schalten des Néel-Vektors experimentell nachweisen. Insbesondere wurde dabei ein zehnfach größerer Magnetowiderstand als bei CuMnAs beobachtet. Entsprechende Berechnungen hat Libor Šmejkal erstellt, der im Rahmen einer Kollaboration mit der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik seine Promotion in der Arbeitsgruppe Sinova an der JGU durchführt. "Diese Berechnungen sind wichtig zum Verständnis der experimentellen Arbeiten, die mein Doktorand Stanislav Bodnar vornimmt. Dadurch könnte Mn₂Au zu einem Türöffner für zukünftige antiferromagnetische Spin-Elektronik werden", erklärt Dr. Martin Jourdan, der Projektleiter der Studie und Projektleiter bei SPIN+X. "Über ihren großen Magnetowiderstand hinaus ist ein entscheidender Vorteil dieser Verbindung, dass sie keine toxischen Komponenten enthält und auch bei höheren Temperaturen genutzt werden kann."

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S. Y. Bodnar et al., Writing and reading antiferromagnetic Mn2Au by Néel spin-orbit torques and large anisotropic magnetoresistance, Nature Communications 9, 24. Januar 2018,

Kontakt:

PD Dr. Martin Jourdan
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel.: 06131 39-23635
Fax: 06131 39-24076

Email: jourdan[at]uni-mainz.de

An einer neuen Generation von Schaltkreisen arbeiten die Physiker um Chumak und seinen Doktoranden Qi Wang, der Erstautor der aktuellen Studie. Sie nutzen dabei Spinwellen. „Diese können Information in Form des Eigendrehimpulses in magnetischen Materialien transportieren“, fährt Chumak fort. „Die Quantenteilchen solcher Wellen sind Magnonen.“ Im Vergleich zu Elektronen können sie wesentlich mehr Informationen transportieren, verbrauchen dabei viel weniger Energie und erzeugen weniger Abwärme. Dies macht sie beispielsweise für schnellere und leistungsfähigere Rechner interessant.

In der nun erschienenen Studie beschreiben die Wissenschaftler erstmals einen sogenannten integrierten magnonischen Schaltkreis, in welchem Informationen mittels dieser Teilchen übertragen werden. Wie auch bei gängigen elektronischen Schaltkreisen sind hierbei Leiter und sogenannte Leitungskreuzungen notwendig, um die einzelnen Schaltelemente zu verbinden. In ihrer Simulation ist es den Forschern nun gelungen, eine solche Kreuzung für Magnonen zu entwickeln. „Dazu haben wir in unsere Berechnungen ein Phänomen mit einbezogen, das in der Physik schon bekannt ist und in der Magnonik erstmals zum Einsatz kommt“, sagt Qi Wang. „Wenn zwei Magnonenleiter äußerst eng nebeneinanderliegen, reden die Wellen gewissermaßen miteinander, das heißt, die Energie der Wellen wird vom einen Leiter auf den anderen übertragen.“ In der Optik findet dies schon länger Verwendung, zum Beispiel um Informationen zwischen Lichtwellenleitern (Glasfasern) zu übertragen.

Dies macht sich auch das „Nano-Magnonik“-Team, ein Teil des Lehrstuhls von Professor Hillebrands um Chumak und Wang, zunutze, um Schaltelemente auf einem magnonischen Chip in einer neuen Art und Weise zu verdrahten. Das Besondere hierbei: Sie kommen bei den Leitungskreuzungen ohne eine dreidimensionale Brückenkonstruktion aus. Bei klassischen Schaltkreisen ist dies notwendig, um den Elektronenfluss zwischen mehreren Elementen zu gewährleisten. „Bei unserem Schaltkreis nutzen wir eine zweidimensionale flache Verdrahtung, bei der die Magnonenleiter nur dicht nebeneinander liegen müssen“, sagt Wang. Diese „Kontaktstelle“ nennen die Forscher direktionalen Koppler. Mithilfe des Modells möchten die Forscher nun einen ersten magnonischen Schaltkreis bauen.

Für die künftige Produktion von Computer-Bauteilen ließe sich beispielsweise mit diesen neuartigen Schaltkreisen Material und dadurch auch Kosten einsparen. Darüber hinaus liegt die Größe der simulierten Bauteile im Nanometerbereich, was mit modernen elektronischen Bauteilen vergleichbar ist. Allerdings ist die Informationsdichte bei Magnonen um ein Vielfaches größer.

Für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Magnonen hat Juniorprofessor Chumak 2016 einen ERC Starting Grant, einen der höchsten Forschungspreise der EU, erhalten. Der Physiker und sein Doktorand Wang arbeiten am Landesforschungszentrum für Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), welches vom Land Rheinland-Pfalz finanziert wird.

Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht: „Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler“
DOI: 10.1126/sciadv.1701517

Fragen beantworten:
Juniorprof. Dr. Andrii Chumak
E-Mail: chumak[at]physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4203

Qi Wang
E-Mail: qiwang[at]rhrk.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-3699

Die neuen studentischen Sprecher des SPIN+X Young Researchers College sind Tobias Eul aus Kaiserslautern und Alexander Pfeiffer aus Mainz.

Mit dem Preis wird gewürdigt, dass es Prof. Ziegler im Einklang mit den DFG–Gleichstellungsstandards gelungen ist, in ihrer Arbeitsgruppe eine vollständige Gleichstellung der Geschlechter auf allen Qualifikationsstufen zu erreichen. Der so erzielte Frauenanteil hebt sich deutlich von den in der Physik üblichen Zahlen ab. Dazu hat ein Bündel an Maßnahmen beigetragen, die weit über ihre Vorbildfunktion als Professorin hinausgehen. Zu den Maßnahmen gehören jährliche Mitarbeitergespräche zur Persönlichkeitsentwicklung mit allen Gruppenmitgliedern unabhängig von ihrem Status, die gezielte Karriereförderung aller Mitarbeiter/innen, die besondere Förderung begabter Studentinnen in Workshops und Mentoringprogrammen, sowie familiengerechte Arbeitszeit–Regelungen auf Vertrauensbasis.

Das Preisgeld wird in die besonders erfolgreiche Maßnahme zur Frauenförderung, die Begabtenförderung von Studentinnen als studentische Hilfskraft, investiert werden.

Seit November 2016 leitet Everschor-Sitte die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderte Emmy Noether-Nachwuchsgruppe TWIST (Topologische Wirbel In der SpinTronik). Die Gruppe beschäftigt sich mit neuen magnetischen Teilchen, den nach dem Physiker Tony Skyrme benannten Skyrmionen. Als Skyrmionen bezeichnet man Bereiche in einer magnetischen Struktur, in der die Spins in einem besonderen topologischen Muster angeordnet sind. Man kann sich Skyrmionen also als Knoten oder Wirbel in einer solchen magnetischen Struktur vorstellen. Die Vorteile dieser Skyrmionen sind, dass die Anordnungen zum einen sehr stabil sind, also größere Mengen von Energie nötig sind, um die Richtungen der Spins zu „entknoten“. Zum anderen reagieren Skyrmionen sehr gut auf sogenannte Spinströme. Anwendungen der Skyrmionen liegen daher im Bereich der Spintronik, einer neuen Form der Elektronik, die statt der Ladung von Elektronen ihren Spin zur Informationsübertragung ausnutzt. Ein Ziel der Forschung an Skyrmionen ist es, mit Hilfe der Spintronik kleinere und effizientere Speichermedien für Computer und andere elektronische Geräte zu entwickeln.

Die Forschung von Everschor-Sitte und ihrer Arbeitsgruppe ist wegweisend für das Verständnis des Wechselspiels zwischen Skyrmionen, den magnetischen Strukturen, die sie umgeben und Spin-und Ladungsströmen. Die DPG würdigt außerdem die innovativen Ansätze der Gruppe, Skyrmionen gezielt zu erzeugen und so für neue technologische Entwicklungen optimal nutzbar zu machen. Der Hertha-Sponer-Preis wird seit 2002 jedes Jahr für hervorragende Arbeiten auf dem Gebiet der Physik an eine Wissenschaftlerin vergeben. Die DPG will durch die öffentliche Auszeichnung besonders jüngere Wissenschaftlerinnen ermutigen und so mehr Frauen für die Physik gewinnen.

• ein Smartboard mit einer Animation von Spinwellen

• eine Festplatte mit transparentem Deckel, durch den man den Lesekopf mit einem GMR-Sensor beobachten kann

• ein Freihand-Experiment zur Umwandlung der Magnetisierung in Stahl unter Belastung und eine Modelleisenbahn zur Verdeutlichung einer möglichen Anwendung dieser Forschung

Junge Forscherinnen und Forscher von SPIN+X beantworteten die Fragen von Schülerinnen, Schülern und Lehrkräften und lieferten einen lebhaften Einblick in die faszinierende Welt der Erforschung von Spin und seinen Anwendungen.

Die Konferenz widmet sich schwerpunktmäßig dem Feld ultraschneller Magnetisierung und behandelt ultraschnelle dynamische Prozesse in magnetischen Materialien in Zeiträumen von Femto-, Pico und Attosekunden.

Die Konferenz wird von den Spin+X Mitgliedern Wolfgang Hübner, Martin Aeschlimann, Bärbel Rethfeld und Hans-Christian Schneider organisiert. Finanziell wird die Konferenz vom Sonderforschungsbereich Spin+X, dem Forschungszentrum OPTIMAS und der Europäischen Union unterstützt. Weitere Informationen finden Sie unter .

Unter der Leitung des Outreach Projektes übernahm SPIN+X den Stand der Graduiertenschule der Exzellenz Material Science in Mainz (MAINZ) und zeigte folgende Demonstratoren zu den Themen Spin und Magnetismus:

• ein Smartboard mit einer Animation von Spinwellen
• ein Modell des Taipeh-Towers, dessen Aufzüge durch GMR-Sensoren gesteuert werden
• eine Festplatte mit transparentem Deckel, durch den man den Lesekopf mit einem GMR-Sensor beobachten kann
• ein Freihand-Experiment zur Umwandlung der Magnetisierung in Stahl unter Belastung und eine Modelleisenbahn zur Verdeutlichung einer möglichen Anwendung dieser Forschung

Junge Forscherinnen und Forscher von SPIN+X betreuten den Stand und lieferten einen lebhaften Einblick in die faszinierende Welt der Erforschung von Spin und seinen Anwendungen.

Im Dezember findet das Spin+X Young Researchers College Retreat statt. Alle Teilnehmer sind dann eingeladen, die neu erworbenen Fähigkeiten anzuwenden, um sich gegenseitig ihre Forschung vorzustellen.

Professor Hillebrands forscht seit Langem zu Phänomen sogenannter makroskopischer Quantenzustände. Sein Fokus liegt dabei auf Supraströmen und Magnon-Quantenteilchen (siehe physikalischer Hintergrund). Diese können mehr Informationen transportieren als Elektronen und verbrauchen dabei deutlich weniger Energie. Die Kaiserslauterer Wissenschaftler nutzen sie in ihren Arbeiten als schnelle Informationsträger und -überträger. Dafür haben sie einen eigenen Forschungszweig gegründet: die Supramagnonik.

Für technische Anwendungen kann die Forschung der Physiker von Relevanz sein: Das Verarbeiten und Speichern von Daten könnte mit den Teilchen künftig wesentlich leistungsfähiger werden. Für seine Arbeiten in diesem Bereich hat Hillebrands im vergangenen Jahr den ERC Advanced Grant, einen der höchst dotierten Auszeichnungen der Europäischen Union, erhalten.

Weitere Informationen zur Akademie der Wissenschaften und der Literatur Mainz unter

Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Burkard Hillebrands
TU Kaiserslautern/Lehrstuhl für Magnetismus
E-Mail: hilleb(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631-205-4228
Sekretariat: Sibylle Müller
E-Mail: smueller(at)physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-4262

At the 33rd prize award ceremony, seven young scientists from the University of Kaiserslautern were recognized, whose master or diploma thesis were of outstanding quality. Among the laureates was Spin+X PhD Dennis Nenno from the Kaiserslautern Department of Physics. His thesis focused on transport theory of hot electrons in metals and ultrafast magnetism. After optical excitation with an ultrashort laser pulse properties of metals, such as magnetism, can be modified or controlled. The findings which were supervised by Spin+X PI Prof. Hans Christian Schneider might be helpful for future data storage devices.

Because Dennis Nenno and his supervisor Sare both currently on a research visit in Tucson, Arizona, Spin+X PI Prof. Bärbel Rethfeld held the laudation and Dominik Linzner accepted the prize at the award ceremony.

Die LabTour ist Teil der Strategie von Spin+X, WissenschaftlerInnen aus verschiedenen Fachbereichen (Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften) intensiv zu verknüpfen. Mit dem gegenseitigen Austausch wollen die ForscherInnen Erkenntnisse von der Grundlagenforschung bis zur technologischen Anwendung bündeln und so schneller und effizienter zu Ergebnissen gelangen.

Der Spin+X Nachwuchswissenschaftler Dennis Nenno (Fachbereich Physik) wurde für seine Diplom-Arbeit ausgezeichnet. Er beschäftigte sich in seiner Arbeit mit Transporttheorien heißer Elektronen in Metallen und untersuchte ultraschnelle magnetische Effekte. Sehr kurze Lichtimpulse können Magnetfelder beeinflussen, was beispielsweise für Speicherplatten von Bedeutung ist. Da sich der Preisträger und sein Betreuer, Spin+X Projektleiter Prof. Dr. Hans Christian Schneider, zu einem Forschungsaufenthalt in Tucson, Arizona, befinden, nahmen Prof. Dr. Bärbel Rethfeld und TU-Alumnus Dominik Linzner stellvertretend den Preis entgegen.

Ob sich ein Talent entfalten kann, hänge nicht nur davon ab, ob „einem Chancen geboten werden, sondern auch, ob man diese ergreift“, sagte Kai Landes, Vorstandsmitglied der Kreissparkasse Kaiserslautern, bei der Preisverleihung. „Sie alle haben gezeigt, dass Sie mit Ihren Talenten, Ideen und Konzepten erfolgreich sein wollen“, bekräftigte er an die Preisträger gewandt.

„Denken Sie langsam, arbeiten Sie sorgfältig, reden Sie mit Bedacht“, gab der Vorsitzende des Verwaltungsrats und des Stiftungskuratoriums, Landrat Paul Junker, den Preisträgern mit auf den Weg. „Sie zählen jetzt zur Elite der Gesellschaft“, hob er hervor und es gelte, der damit verbundenen sozialen Verantwortung in besonderem Maße gerecht zu werden, forderte Junker die Universitätsabsolventen auf.

Professor Dr. Arnd Poetzsch-Heffter, Vizepräsident für Forschung und Technologie der TU Kaiserslautern nutzte die Gelegenheit, dem derzeitigen gesellschaftlichen Trend der „postfaktischen Dialog-Debatten-Kultur“ eine Absage zu erteilen. „Wir sollten ein solches Zeitalter nicht zulassen“, mahnte er eindringlich und propagierte dagegen ein „langsames Denken“. Es habe „in der Geschichte immer wieder wissenschaftsfeindliche Zeiten gegeben“, führte er aus. Als Gründe dafür nannte er: „Wissenschaftlichkeit ist anstrengend; das sich um Exaktheit kümmern, ist mühsam“. Denn es erfordere Akribie, genaues Nachdenken, Diskurs, Emotion, Herzblut und Schweiß. So gesehen seien die jetzt mit den Stiftungspreisen Ausgezeichneten die "Inkarnation des langsamen Denkens“.

Bei einem magnetischen Kugelbeschleuniger werden magnetische Kräfte auf Eisen- oder Stahlkugeln ausgenutzt: Eine Eisenkugel wird auf einen kleinen, aber starken Magneten zugerollt und in dessen Magnetfeld beschleunigt. Auf der anderen Seite des Magneten befinden sich zwei oder mehr Eisenkugeln. Der Impuls der ersten, beschleunigten Kugel wird auf die letzte übertragen - ähnlich wie beim Billard. Da ein kleiner Abstand zwischen der letzten Kugel und dem Magneten besteht, ist ihre Anziehung kleiner als der übertragene Impuls. Deswegen ist die Geschwindigkeit der letzten Kugel beim Verlassen ihrer Position größer als die der ersten beim Auftreffen auf den Magneten, was zu einer Kettenreaktion über mehrere Hundert Meter führt.

Neben dem Weltrekordversuch selbst organisierte die JGU Laborführungen und Vorträge für die Öffentlichkeit. Der Beitrag von Spin+X in diesem Rahmen bestand aus einem gemeinsamen Stand mit der Exzellenz-Graduiertenschule MAINZ, der vom Minister für Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur, Prof. Dr. Conrad Wolf, besucht wurde. Hier wurden verschiedene Spin-Phänomene und -Anwendungen durch mehrere Demonstratoren des Outreach-Projektes erklärt.

Mehr Informationen finden Sie unter:

Am 06. Juni 2017 wurde der Bau von LASE offiziell mit einem feierlichen Spatenstich gestartet.

Der Festakt begann mit eindrucksvollen Reden über die Bedeutung von LASE. Kernaspekte waren

• die Bedeutung von LASE für den Wissenschaftsstandort Kaiserslautern
• die wichtige Rolle der Forschungsinitiative Rheinland-Pfalz für die Einwerbung von LASE
• die internationale Sichtbarkeit der Kaiserslauterer Forschung zu Spinphänomenen
• die Bedeutung des Gebäudes für zukünftige neue Arbeitsplätze und zur forschungsnahen Ausbildung von Studierenden
• Dank an die Geldgeber - Bund und Land - die den Bau finanzieren

Nicht zuletzt konnten die Zuhörerinnen und Zuhörer etwas zur Physik des Spins und seine Bedeutung für technologische Anwendungen lernen.

Der feierliche Spatenstich wurde ausgeführt von
Wissenschaftsminister Prof. Dr. Konrad Wolf (Ministerium für Wissenschaft, Weiterbildung und Kultur Rheinland-Pfalz)
Prof. Dr. Helmut J. Schmidt (Präsident der TU Kaiserslautern)
Bürgermeisterin Dr. Susanne Wimmer-Leonhardt (Stadt Kaiserslautern)
Prof. Dr. Martin Aeschlimann (Sprecher von OPTIMAS und LASE)
Dipl.-Ing. Holger Basten (Leiter  Landesbetrieb Liegenschafts- und Baubetreuung, LBB)
Dipl.-Kaufm. Markus Scheibenzuber (CRC, Technische Gebäudeausrüstung)
Dipl.-Ing. Swen Bildhäuser (B+P Reiner Becker GmbH, Architekt)

Anschließend wurde mit den zahlreichen Gästen aus der Landes- und Kommunalpolitik, des sonstigen öffentlichen Lebens, sowie der gesamten Universität bei Musik und einem leckeren Imbiss gefeiert.

Der Artikel, den das Wissenschaftler-Team verfasst hat, ist ein sogenanntes perspective paper zum Oberthema molekulare Spintronik. Im Text wird zusammengefasst, was bisher herausgefunden wurde und welche Fragen noch offen sind. "In der Spintronik wird erst seit 2004 mit Molekülen gearbeitet, es gibt also noch viel für uns zu tun. Die Moleküle bieten viele Anwendungsmöglichkeiten - gerade weil sie so klein und flexibel sind. Zum Beispiel können wir heute schon mit Molekülen eine Kupferoberfläche magnetisch machen. Wenn es uns jetzt gelingt, solche Phänomenen gezielt zu kontrollieren, öffnen sich für diese Systeme unheimlich viele Möglichkeiten zur Anwendung", erklärt Prof. Mirko Cinchetti. Zentrale Anteile der Forschung wurden im Rahmen des SFB/TRR 173 Spin+X und im Landesforschungszentrum OPTIMAS an der TU Kaiserslautern durchgeführt.

Zum Artikel in "Nature Materials":

www.nature.com/nmat/journal/v16/n5/full/nmat4902.html

Ansprechpartner für Rückfragen:

Prof. Mirko Cinchetti

Fakultät Physik

Telefon: 0231-755 5438

E-Mail: mirko.cinchetti[at]tu-dortmund.de

The work is the result of a collaboration between the workgroups of Prof. Hillebrands in Kaiserslautern and Prof. Kläui in Mainz. This research project is embedded in the collaborative research center Spin+X funded by the DFG and has been awarded the Best Poster Award at the recent IEEE International Magnetics Conference Intermag 2017 in Dublin.

Tobias Fischer, Frank Heussner, Samridh Jaiswal, Gerhard Jakob, Mathias Kläui, Burkard Hillebrands, and Philipp Pirro:

Spin waves in CoFeB thin films dominated by Dzyaloshinskii-Moriya interaction

Diese Änderung der Spinausrichtung führt nun dazu, dass sich das Ungleichgewicht zwischen den Elektronen mit Spin nach oben und den Elektronen mit Spin nach unten verringert. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Magnetisierung des Materials abnimmt. Es kommt also zu einem Phasenübergang vom geordneten ferromagnetischen in den ungeordneten paramagnetischen Zustand. Genau diese Änderung steht im Fokus der Forschung des internationalen Physiker-Teams, an dem auch Forscher um Professor Martin Aeschlimann von der TU Kaiserslautern beteiligt waren.

Bisher gab es zwei verschiedene Theorien zu den Gründen für den Übergang von einem ferromagnetischen in einen paramagnetischen Zustand: Eine Theorie geht davon aus, dass die Wechselwirkung zwischen den Elektronen, die dafür sorgt, dass ihre Spins in dieselbe Richtung weisen, spontan verschwindet und deshalb auch ihre Spins nicht mehr gleich ausgerichtet sind. Die andere Theorie besagt, dass die Elektronen auf einmal so stark in Bewegung geraten, dass ihre Eigendrehimpulse plötzlich in unterschiedliche Richtungen gehen.

Die Physikerinnen und Physiker konnten erstmals nachweisen, dass die zweite Theorie, das sogenannte Heisenberg-Bild, die Erklärung für den Phasenübergang liefert. Mit einem Laser regten sie die Elektronen in einer dünnen Schicht Kobalt zu einem Phasenübergang an, der innerhalb weniger Femtosekunden geschieht. In einer Femtosekunde legt Licht gerade ein Tausendstel der Dicke eines Haares zurück.

Dank modernster Messtechnik konnte das Wissenschaftler-Team genau nachvollziehen, was in dieser äußerst kurzen Zeitspanne passiert. „Unsere Forschung hat dank einer neuen Messtechnik zahlreiche neue Rückschlüsse auf ultraschnelle magnetische Prozesse geliefert. Die Ergebnisse erweitern unser Verständnis über die mikroskopischen Prozesse, die während dieser Phasenübergänge stattfinden“, sagt Professor Mirko Cinchetti von der TU Dortmund, einer der leitenden Forscher bei Spin+X, der auch an der Studie beteiligt war.

Zum Artikel in „Science Advances“:

Ansprechpartner für Rückfragen: 
Prof. Martin Aeschlimann
Fachbereich Physik
Telefon: 0631-205 2322
E-Mail: ma[at]physik.uni-kl.de

Dr. Steffen Eich
Fachbereich Physik
Telefon: 0631-205 3576
E-Mail: seich[at]physik.uni-kl.de

Theoretically, the phase transition from the ferro- to the paramagnetic state can be described by two extreme cases: One theory assumes that the force coupling neighboring spins with each other, the so-called exchange interaction, spontaneously disappears and therefore their spins are no longer aligned (Stoner-picture). The other theory states that the electron spins are precessing around the magnetization axis and thus lead to a reduction of the magnetization (Heisenberg-picture).

The physicists were able to prove for the first time that the second theory provides the explanation for the phase transition in cobalt. Using an ultrafast laser, they excited the electrons in a thin cobalt film, resulting in a phase transition that occurs within a few femtoseconds. In a femtosecond, light travels just one thousandth of the thickness of a hair. Thanks to the state-of-the-art experiment, the team of scientists could see exactly what is happening in this extremely short time span.

Central parts of the research were carried out within the collaborative research center of the German Research Foundation: SFB/TRR 173 Spin+X, as well as the State Research Center OPTIMAS of the University of Kaiserslautern. The participating teams are from the University of Kaiserslautern, the Forschungszentrum Jülich, the University of Göttingen, the University of Dortmund, as well as the University of Colorado and the National Institute of Standards in Boulder (Colorado, USA).

To article in „Science Advances“:

Contact persons:

Prof. Martin Aeschlimann
Fachbereich Physik
Telefon: 0631-205 2322
E-Mail: ma[at]physik.uni-kl.de

Dr. Steffen Eich
Fachbereich Physik
Telefon: 0631-205 3576
E-Mail: seich[at]physik.uni-kl.de

Experimental prototype of a spin-wave majority gate
T. Fischer, M. Kewenig, D. A. Bozhko, A. A. Serga, I. I. Syvorotka, F. Ciubotaru, C. Adelmann, B. Hillebrands, and A. V. Chumak

Further information can be found (in English) and (in German)

Die Spin+X DoktorandInnen und Postdocs präsentierten ihre aktuellen Forschungsergebnisse während der Postersession. Die Postersession wurde begleitet von einem Demonstrationsstand des Spin+X Outreach Projektes. Hier präsentierten die Wissenschaftler Modellexperimente, die Spin-Phänomene und auf Spin bezogene Messtechniken in einer vereinfachten Art erklären. In einer unabhängigen Session während des dritten Tags des Retreats veranstaltete das Spin+X Young Researcher College einen Workshop zu guter wissenschaftlicher Praxis.

Während des Retreats wurden vier neue Spin+X Mitglieder anerkannt. Wir begrüßen:

Dr. Bertrand Dupé, Theoretische Physik, Mainz;

Prof. Dr. Gerhard Jakob, Experimentalphysik, Mainz;

Prof. Dr. Yuriy Mokrousov, Theoretische Physik, Mainz;

Dr. Philipp Pirro, Experimentalphysik, Kaiserslautern.

Alle Spin+X Mitglieder profitierten von den wissenschaftlichen Sessions sowie von den Zusammenkünften während Kaffeepausen und Mahlzeiten. Wir haben daher bereits begonnen, unser nächstes Retreat vom 28. Februar bis 2. März 2018, wieder im Kurpark Hotel Bad Dürkheim, zu planen.

The format allows the students to self-pace the learning process, and repeat the lectures if needed. References are provided as a complementary material for each lecture. At the end of each lecture the student is presented with a set of closed-ended questions relative to the topic just described. This is meant to provide the student with an immediate assessment of the learning experience.

Next to Spin+X, the online lecture series is supported by the Graduate School of Excellence MAINZ “Materials science in Mainz”, the “Center for INnovative and Emerging MAterials (CINEMA)”, and the “Spin Phenomena Interdisciplinary Center (SPICE)”.

The course is accessed by (login as ‘guest’, university, or openOLAT account)

In order to control these processes, the researcher focuses on light beams. "This allows you to influence the functionality of such interfaces very quickly, namely within the duration of some so-called femtoseconds," he explains. In this time frame, the light covers a distance of just one thousandth of the thickness of a hair. In his work Cinchetti examines ultrafast processes and uses special measuring methods.

The aim of his research is to control not only magnetic solids, but also other materials in order to use them, for example, for the fast processing and storage of large amounts of data.

Cinchetti had already worked on the proposal for his project "Coherent optical control of multi-functional nano-scale hybrid units" (short: hyControl) before his call to Dortmund and submitted it together with the University of Kaiserslautern.

An international team of physicists from Kaiserslautern, Göttingen, Kiel, and Boulder (Colorado, USA) has now investigated a phase transition with a very high time resolution. For the material that was investigated, titanium diselenide (TiSe₂), an insulator-metal phase transition at a temperature of about 200 Kelvin is known. The team now reports in the prestigious journal Nature Communications how they monitor in real-time the microscopic processes during a phase transition that was initiated by an ultrashort optical excitation. Using time-resolved photoemission spectroscopy with ultrashort X-ray pulses, they observed the occupation of electronic energy states on time scales of femtoseconds (10^-15 s), and followed how the energy gap between occupied and unoccupied electronic states was reduced by the dynamics of the excited electrons.

The central research result is that an optical excitation of the material induces a self-amplifiying melting process, which accelerates the transition from the insulating to the metallic state. After excitation of electrons across the electronic band gap a further very strong carrier multiplication process occurs that is driven by energy loss processes of the excited electrons. The researchers were able to demonstrate that these additional charge carriers further reduce the energy band gap, which on the other hand amplifies the multiplication process. Using a theoretical model that illustrates key aspects of the electronic dynamics, this self-amplifying effect could be identified as the underlying principle of the ultrafast phase transition.

The results obtained here are interesting from two other perspectives. Firstly, titanium diselenide is a complex material that neither complies with a description as a pure metal nor as a pure insulator/semiconductor. Interest in complex materials has increased in recent decades and they are therefore also intensively studied in basic research. Titanium diselenide is complex, since the electronic and lattice degrees of freedom are coupled in a complicated manner. At low temperatures, this material is in a so-called charge density wave insulator state in which the crystal structure and the electronic structure are different compared to the structure at room temperature. On the other hand the research on phase transitions shows that by using ultrafast excitations, new non-equilibrium states of matter can be generated, with potential novel functionalities. Since the mechanism found here is considered to be universal for a large number of phase transition in materials, the research results open up the prospect to optically control and manipulate the individual steps of the phase transition.

Central parts of the research were carried out within the framework of two collaborative research centers of the German Research Foundation: SFB 1073 (Control of energy conversion on atomic scales) and SFB/TRR 173 (Spin+X), as well as the State Research Center OPTIMAS of the University of Kaiserslautern. The participating teams are from the University of Kaiserslautern, the University of Göttingen, the University of Kiel, as well as the University of Colorado and the National Institute of Standards in Boulder (Colorado, USA).

Contact persons:

Prof. Dr. Stefan Mathias (Georg-August-Universität Göttingen):
Ultrafast Phenomena,
Tel. 0551/ 39 7607 smathias[at]uni-goettingen.de

Prof. Dr. Martin Aeschlimann (University of Kaiserslautern):
Ultrafast Phenomena At Surfaces,
Tel. 0631 / 205 2273; ma[at]physik.un-kl.de

Further Information:

S. Mathias, S. Eich, J. Urbancic, S. Michael, A.V. Carr, S. Emmerich, A. Stange, T. Popmintchev, T. Rohwer, M. Wiesenmayer, A. Ruffing, S. Jakobs, S. Hellmann, P. Matyba, C. Chen, L. Kipp, M. Bauer, H.C. Kapteyn, H.C. Schneider, K. Rossnagel, M.M. Murnane & M. Aeschlimann:
Self-amplified photo-induced gap quenching in a correlated electron material
Nature Communications 2016, AOP;

For further information see (in German)

SPIN+X nahm im Rahmen der Graduiertenschule der Exzellenz Material Science in Mainz (MAINZ) an der Veranstaltung teil und zeigte folgende Demonstratoren zu den Themen Spin und Magnetismus: 

• ein Modell des Taipeh-Towers, dessen Aufzüge durch gesteuert werden
• eine Festplatte mit transparentem Deckel, durch den man den Lesekopf beobachten kann
• eine Magnetkugelbahn, speziell für Kinder

Mehr als zehn junge Forscher und Forscherinnen von SPIN+X betreuten den Stand über das gesamte Wochenende. Trotz der hohen Temperaturen im Zelt beantworteten sie unermüdlich die Fragen neugieriger Besucher und lieferten einen lebhaften Einblick in die faszinierende Welt der Erforschung von Spin und seinen Anwendungen.

Terahertz radiation is a part of the electromagnetic spectrum between microwave frequencies and infrared light, in the frequency range of 0.3 to 30 THz. Many materials absorb THz radiation in a characteristic manner, while textiles and plastics are largely transparent. Unlike X-rays, terahertz rays are harmless to biological structures. As a consequence, terahertz waves can be used for bioimaging – such as in body scanners at airports, for quality control of food, and for material identification.

One obstacle which prevents the wide-scale usage of these terahertz rays is the fact that current technologies require expensive and large apparatus to generate broadband THz. The spintronics-based emitters fabricated by researchers at the Fritz Haber Institute in Berlin and at Johannes Gutenberg University Mainz are scalable and can be used as table top emitters. Current semiconductor-based emitters can cover only a limited range of frequencies. However, using these novel spintronics emitters it is possible to cover the complete range of terahertz frequencies from 1 to 30 THz without gap. It is more energy-efficient, cheaper to manufacture, and easier to use than conventional sources.

Thin metal film at the heart of the emitter

"The new THz emitter resembles a photodiode or a solar cell: on illuminating the material with an ultrashort laser pulse, an ultrafast spin-current is generated. This spin current is then converted to a charge current via the Inverse Spin-Hall effect. Consequently, a transmitter antenna radiates an equivalent electromagnetic pulse with frequencies in the terahertz range," explained Samridh Jaiswal, co-author of the study and a member in Professor Mathias Kläui's group at Mainz University. In contrast to a solar cell, the metal films of the spintronics variant are only 5.8 nanometers thick, which ensures the impulse to be extremely short while at the same time preventing attenuation of the terahertz wave inside the emitter. The metal and layer thicknesses used were systematically optimized such that a relatively weak laser radiation is sufficient to produce the entire terahertz spectrum from 1 to 30 THz. “These results pave the way to novel sources of terahertz emitters,” said Jaiswal, who is a fellow in the Marie Curie Initial Training Network WALL "Controlling domain wall dynamics for functional devices," of which Mainz University is a partner. Samridh Jaiswal was in charge of the materials development.

To optimize the emitter performance, the scientists had to screen a large number of materials with varying material composition and geometry. The high-throughput Rotaris sputter deposition system installed at the Institute of Physics at Mainz University by Singulus Technologies was a crucial prerequisite to fabricate a large number of samples in a short time. The optimization procedure was further supported by calculations of theorists at Forschungszentrum Jülich. The topic of converting between spin and charge currents due to spin-orbit effects is part of the recently established Collaborative Research Center CRC/Transregio 173 "Spin+X: Spin in its collective environment," funded by the German Research Foundation (DFG).

An international research team from Cambridge , Würzburg, Mainz, Prague, Jülich and Nottingham that included two researchers from Spin+X, now published a new study in the area in the prestigious journal Nature Physics:
C. Ciccarelli, L. Anderson, V. Tshitoyan, A. J. Ferguson, F. Gerhard, C. Gould, L.W. Molenkamp, J. Gayles, J. Železný, L. Šmejkal, Z. Yuan, J. Sinova, F. Freimuth and T. Jungwirth:
Room-temperature spin–orbit torque in NiMnSb
Nature Physics, AOP 16 MAY 2016 |

The researchers showed that the magnetic Heusler compound NiMnSb is another potential candidate for the presence of spin-orbit torques in non-centrosymmetric crystals, even at room-temperature. This specific compound was chosen out of there general framework of non-centrosymmetric crystals with potential presence of spin-orbit torques. Using the all-electrical ferromagnetic resonance technique they were able to detect room-temperature spin-orbit torques induced by the inverse spin galvanic effect with magnitudes that are consistent with their ab initio transport theory calculations. With their results, the team was able to prove the existence of spin-orbit torques in bulk-centrosymmetric crystals at room-temperature which are of high interest in terms of their potential utilization in spintronics devices.

Jairo Sinova and Jacob Gayles from Spin+X project A03 contributed important results regarding the theoretical modeling of the spin-orbit torques from a microscopic starting point. Their predictions are in full agreement with the observed experimental findings.

Nils Brouwer, Bärbel Rethfeld:
Non-equilibrium electron-phonon coupling in dielectrics excited by ultrashort laser pulses
(Best Poster Award!)

Dennis Michael Nenno, Hans Christian Schneider:
Simulation of spin-dependent electron transport
(Talk)

Anika Rämer, Bärbel Rethfeld:
Energy dissipation in laser-excited semiconductors
(Talk)

Sebastian Weber, Anika Rämer, Nils Brouwer, Baerbel Rethfeld:
Influence of the density of states on nonequilibrium dynamics
(Talk)

For further details see

Hillebrands will mit der Fördersumme ein völlig neues Forschungsfeld, die Supramagnonik erschließen. Die Supramagnonik ist eine Erweiterung der Magnonik, die Hillebrands bereits grundlegend mitentwickelt hat und die sich mit der Informationsübertragung durch Spinwellen beschäftigt (mehr dazu siehe ).

(i) naturally integrate the engineering projects into the physics-centered environment of Spin+X;

(ii) ensure a faster, more efficient and better targeted transfer of know-how from basic science to applied projects and vice versa, supervised by a Supply Chain manager;

(iii) coherently and effectively develop the science of spin phenomena for selected topics across traditional boundaries of disciplines.

At the Concept Workshop each Supply Chain presented their goals and workplan, and dicussed how to

- coordinate the workflow,
- handle obstacles,
- organize regular exchange (meetings etc.),
- achieve (joint) publications.

The Workshop took place at beautiful Schloss Waldthausen, near Mainz.

Der von der deutschen Forschungsgesellschaft (DFG) geförderte Sonderforschungsbereich SFB/TRR 173 „Spin in its collective environment“ an der Technischen Universität Kaiserslautern und der Johannes Gutenberg-Universität Mainz nimmt seine Arbeit auf.