William John Henderson

Aktuell promovier(t)e ich in Physik der kondensierten Materie an der Universität Oxford im Vereinigten Königreich. Ich verbrachte sechs Monate an der RPTU, von September 2023 bis März 2024, um experimentelle Forschung zu betreiben. Das Ziel meiner Forschung ist es, in Erfahrung zu bringen, wie Spinwellen effektiv zur Informationsübertragung für Berechnungen genutzt werden können. In der Zukunft könnte diese neue Form der Übertragung den Bau schnellerer und energieeffizienterer Computer ermöglichen.

Jede Berechnung ist im Grunde nichts anderes als eine physikalische Umwandlung von Informationen. Aufgrund der erfolgreichen Weiterentwicklung des CMOS-Transistors werden diese Informationen generell durch elektrische Spannung repräsentiert. Allerdings könnten diese Informationen ebenso durch jedwede physikalische Größe repräsentiert werden. Eine Spinwelle, in Form derer sich Störungen im magnetischen Spinsystem eines Festkörpers ausbreiten, ist ein physikalisches Phänomen mit mehreren potenziell zur Repräsentation und Manipulation von Informationen nutzbaren physikalischen Größen (Amplitude, Frequenz und Phase).

In modernen Computern werden Informationen mittels boolescher Algebra umgewandelt, also durch Operationen mit Nullen und Einsen. Zu diesem Schema gehört auch die notwendige Speicherverwaltung, bei der die gespeicherten Daten physikalisch zur Verarbeitung an den Prozessor weitergegeben werden müssen. Diese Anordnung kommt immer öfter an ihre Grenzen, weshalb es Bedarf an der Entwicklung neuer Berechnungsmethoden – und damit auch neuer Hardware – gibt, die diese Beschränkungen umgehen kann.

Privat

Zwischen Forschung und Freizeit

An der RPTU erforschte ich nichtlineare Interaktionen von Spinwellen. Diese haben unter anderem zur Folge, dass eine Spinwellenanregung auf einer einzigen Frequenz wiederum zu Spinwellenanregungen auf anderen Frequenzen führt. Mit den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der RPTU entwickelte ich einen Versuchsaufbau, um die verschiedenen letztendlich angeregten Frequenzkomponenten zu messen. Erfasst wurden diese mithilfe einer Antenne, in der die Spinwellen einen elektrischen Strom induzierten. Dieses elektrische Signal ließ sich dann einfach mit einem Spektrumanalysator messen. Außerdem nutzten wir Techniken zur Amplitudenmodulation, um den Fall zu berücksichtigen, dass die ursprünglich angeregten Spinwellen mehreren Frequenzen angehören. Mithilfe der Amplitudenmodulation lässt sich ein komplexes Frequenzspektrum ohne einen teuren GHz-Frequenz-Arbiträrfunktionsgenerator erzeugen, was für zukünftige kommerzielle Anwendungen von großer Bedeutung ist.

In den Ergebnissen zeigte sich eine Bandbreite an unterschiedlichen sekundären Anregungsverläufen, das von der Anregung diskreter Frequenzen bis hin zur Anregung eines weiten durchgängigen Bereichs reichte – und es gab auch einige Fälle, die zwischen diesen beiden Extremen angesiedelt waren. Was mir am meisten an den Ergebnissen auffiel, war, wie einfach es mit diesem Versuchsaufbau war, all diese unterschiedlichen Anregungsverläufe zu beobachten. Zwar konnten diese Verläufe bereits früher beobachtet werden, doch ihre Messung basierte oft auf optischen Techniken, die technisch etwas schwieriger anzuwenden sind, da sie nicht ausschließlich auf Elektronik beruhen. Hier zeigt sich Potenzial für zukünftige Anwendungen dieser Phänomene in Computern.

Neben diesen nichtlinearen Phänomenen konnte ich zudem diverse Artefakte aus dem Anregungsprozess beobachten, wie zum Beispiel elektromagnetische Interferenzen zwischen den Anregungs- und Erfassungsantennen. Diese Artefakte könnten zu Problemen führen, doch nach Diskussionen mit anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der RPTU bin ich jetzt zuversichtlich, ihren Ursprung zu kennen und ihre Effekte im Analyseprozess mitigieren zu können.

Privat

Die bezaubernde Natur Deutschlands

Während meiner Arbeit in Kaiserslautern konnte ich außerdem über Aspekte von Simulationen diskutieren und an der Integration von Teilen meines Codes in Aithericon, die cloudbasierte Simulationssoftware der RPTU, arbeiten. Dies war eine großartige Gelegenheit für mich, mehr über die praktischen Details der Durchführung groß angelegter Simulationen zu lernen – was für die nächsten Schritte bei diesem Forschungsprojekt definitiv von Nutzen sein wird. Jetzt, nach meiner Rückkehr nach Oxford zum Abschluss meiner Promotion, fahre ich mit der Analyse dieser Daten und der Entwicklung von Simulationen fort, um die Ursprünge der beobachteten Phänomene endgültig zu bestimmen. Ich hoffe, dass meine Forschung durch die erfolgreiche Modellierung meiner Beobachtungen zur Entwicklung von Methoden zur Kontrolle und Manipulation von Spinwelleninteraktionen für Berechnungsanwendungen beitragen kann.

Ich stehe noch immer mit meinen Kolleginnen und Kollegen aus Kaiserslautern in Kontakt und hoffe, diese Verbindungen auch in Zukunft weiterhin aufrechterhalten zu können. Meine Arbeit am RPTU machte mir Spaß. Vieles an der Arbeit dort war anders als in Oxford. Erstens war die Forschungsgruppe weitaus größer, sodass eine größere Bandbreite an Spinwellenphänomenen und -anwendungen erforscht und mehr Verfahrensschritte, zum Beispiel die Herstellung der Antennen, vor Ort durchgeführt werden konnten. Zweitens war die Auswahl an Ausrüstung größer, sodass ich mich mit einer Vielzahl an neuen experimentellen Techniken vertraut machen konnte.

Das Leben in Deutschland war dem Leben im Vereinigten Königreich in vieler Hinsicht verblüffend ähnlich. Oft genoss ich mir einen Drink mit Kolleginnen oder Kollegen nach der Arbeit und plauderte mit ihnen über Physik und über das Leben allgemein. Es gab aber auch viele deutsche Aktivitäten, die ich noch nicht so recht kannte. Ich besuchte den jährlichen Quirnbacher Pferdemarkt, was ein extrem kulturelles Erlebnis für mich war – mit einer Band, die deutsche Musik spielte, und jeder Menge deutschem Bier! Ich genoss auch das deutsche Essen, vor allem die riesige Menge an Bäckereien in der Stadt und Umgebung mit ihren fantastischen Kuchen!

Ich besuchte gerne die Wildparks im Wald nahe der Stadt – ich ging durch den Wald und stieß auf eine große Lichtung mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Tieren. Ich verbrachte viele Nachmittage dort. Besonders schön sah es dort aus, wenn es schneite, was in Oxford nur eher selten vorkommt. Nur eine kurze Busfahrt entfernt in Trippstadt gab es einen sehr schönen Weg durch den Wald, den ich mit meiner Freundin während ihres Besuchs entlangwanderte. Ich nahm an dem jährlichen Gruppentreffen teil und wir wanderten am Studierendentag zu einem Schloss. Im Sommer ging ich ins Freibad – eines der größten Europas – und im Winter fuhr ich in die nahegelegene Stadt Landstuhl, um in die Sauna zu gehen.