Ziel der jungen Orbitronik-Forschung ist es, die magnetische Informationsverarbeitung noch schneller und effizienter zu machen. Aktuell beruht die Datenverarbeitung in Alltagsgeräten wie Laptops oder Handys auf der elektrischen Ladung des Elektrons. Ein Bit (0 oder 1) wird dabei durch die Anwesenheit (1) oder Abwesenheit von Ladung (0) dargestellt. In einer wichtigen Erweiterung der Elektronik, der sogenannten Spintronik, nutzt man zusätzlich das magnetische Moment des Elektrons, welches von der andauernden Rotation des Elektrons um seine eigene Achse erzeugt wird. Eine wichtige Anwendung sind neuartige nichtflüchtige Datenspeicher (MRAMs), die etwa als Cache-Memory in Prozessoren zum Einsatz kommen. Die Orbitronik hingegen setzt auf kreisartige Bahnbewegungen der Elektronen, sogenannte Orbits, als Informationsträger. Dieser Ansatz soll spintronische Operationen erheblich effizienter machen und teilweise sogar ersetzen.

„Im ERC-Projekt ORBITERA möchten wir herausfinden, wie sich orbitaler Drehimpuls von Elektronen in Metallen ausbreitet und wie er zum ultraschnellen Schreiben von magnetischer Information eingesetzt werden kann.“, sagt Tobias Kampfrath. Da Elektronen innerhalb kürzester Zeit mit Hindernissen kollidieren, entwickelt die Arbeitsgruppe neue Methoden, um den Fluss der Elektronen und ihrer Orbits auf extrem kurzen Zeitskalen im Femtosekundenbereich zu beobachten. Zum Vergleich: In 100 Femtosekunden legt Licht, der schnellste Signalträger, nur eine Haaresbreite an Weg zurück. Neben solchen fundamentalen Einblicken erwartet Kampfrath auch neue Anwendungen in der Terahertz-Photonik: „Ein Beispiel ist die Erzeugung von ultrabreitbandiger Terahertz-Strahlung, die in der Materialcharakterisierung und Qualitätskontrolle eine zunehmend wichtige Rolle spielt.“

Tobias Kampfrath ist seit 2017 Professor für Experimentalphysik an der Freien Universität Berlin. Er studierte Physik an den Universitäten Erlangen und Göttingen (Diplom 2001) und promovierte an der Freien Universität Berlin (2006). Nach einem Postdoc-Aufenthalt am Institut für Atom- und Molekülphysik (AMOLF) in Amsterdam (Niederlande) wurde er 2010 Leiter der Arbeitsgruppe „Terahertz Physics“ am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und etablierte dort das Forschungsfeld der Terahertz-Spintronik. Seine Arbeiten wurden mit dem Carl-Ramsauer-Preis (2007), dem Karl-Scheel-Preis (2014) und einem ERC Consolidator Grant (2015) ausgezeichnet. Sein Forschungsschwerpunkt liegt momentan auf dem Verhalten von spintronischen Nanostrukturen auf Femtosekunden-Zeitskalen und bei Terahertz-Frequenzen. Er ist Mitgründer des Start-Up-Unternehmens TeraSpinTec.