Zum Inhalt
Grundlagenforschung für IT der Zukunft

For­schungs­team erzielt starke Kopplung von Schall- und Spinwellen in Magneten

-
in
  • Top-Meldungen
  • For­schung
  • Medieninformationen
Mehrere Personen mit Maske stehen in einem Labor © Martina Hengesbach​/​TU Dort­mund
Dmytro Yaremkevych, Serhii Kuktaruk, Prof. (apl.) Dmitri Yakovlev, Felix Godejohann, Dr. Alexey Scherbakov und Prof. Manfred Bayer haben ihr Forschungsergebnis im renommierten Fachmagazin Physical Review B publiziert.

Da die elek­tro­ni­sche Datenverarbeitung absehbar an ih­re Grenzen stoßen wird, sind alternative Methoden für die In­for­ma­tions­tech­no­lo­gie der Zukunft gefragt. In mag­ne­tischen Materialien gibt es zwei Arten von An­re­gung­en, die perspektivisch als effiziente In­for­ma­tions­trä­ger dienen könnten: die Vibrationen des Kristallgitters und die Schwing­ung­en des mag­ne­tischen Moments. Unter der Leitung von Dr. Alexey Scherbakov von der Fa­kul­tät Physik der TU Dort­mund hat eine in­ter­na­ti­o­na­le Gruppe von Wis­sen­schaft­lern aus fünf verschiedenen For­schungs­zen­tren nun gezeigt, dass diese beiden An­re­gung­en durch starke Kopplung noch leistungsfähiger wer­den können.

In unserem Alltag empfangen, verarbeiten und versenden wir riesige Datenmengen. Die klas­si­sche Elektronik, die die Datenverarbeitung mithilfe elektrischer Ladung meistert, hat in der Ver­gan­gen­heit enorme Fortschritte ver­zeich­net, wie man am Beispiel von Smartphones sehen kann. Heutzutage steht sie jedoch vor großen Heraus­forde­rungen, da die An­for­der­ungen an die Energieeffizienz steigen und die Elektronik nicht unbegrenzt kompakter und gleichzeitig leistungsfähiger wer­den kann. Daher suchen For­sche­rin­nen und Forscher weltweit nach al­ter­na­ti­ven Mög­lich­keiten, Daten zu übertragen und zu verarbeiten, vor allem in Quantencomputern und neuronalen Netzwerken.

In mag­ne­tischen Bauteilen gibt es zwei mögliche In­for­ma­tions­trä­ger, die zu­künf­tig in ener­gie­effi­zien­ten Geräten genutzt wer­den könnten: einerseits die atomaren Vibrationen im Kristallgitter und andererseits die Schwing­ung­en des mag­ne­tischen Moments. Als Schall- bzw. Spinwellen zeigen sie ein Verhalten, das Wasserwellen ähnelt. Da sie sich ohne elektrische Ladung ausbreiten, erfahren sie auch keinen elektrischen Widerstand, der Verluste verursachen und den Prozessor aufheizen würde – wie in konventionellen Geräten. Die Wellen schwingen zudem mit Frequenzen von bis zu 100 GHz – die damit wesentlich höher sind als die Taktfrequenzen von wenigen GHz in modernen Prozessoren – während ih­re Wellenlängen weit unter 1 Millionstel Metern liegen. Geräte, die in Zukunft diese Art der Datenverarbeitung nutzen, könnten also erheblich schneller, kleiner und energieeffizienter sein.

Gleichzeitig Schall- und Spinwelle

Um  diese Vorteile ausnutzen zu können, müssen zu­nächst jedoch zuverlässige Mechanismen für die Da­ten­hand­ha­bung ent­wi­ckelt wer­den. Dafür kann man sich bei­spiels­weise zunutze machen, dass Schallwellen Spinwellen auslösen können und umgekehrt, sodass diese beiden Wel­len­for­men ineinander umgewandelt wer­den können. Dazu bedarf es jedoch einer möglichst starken Kopplung zwischen den beiden Wellen.

Dem inter­natio­nalen For­schungs­team aus Deutsch­land, Russland, der Ukraine und Großbritannien ist es nun erstmals ge­lungen, eine starke Kopplung zwischen einer Schall- und einer Spinwelle mit identischen Frequenzen in einer räumlichen Struktur ähnlich einem Computerchip zu erzielen. Dazu beobachteten sie die wechselseitige Umwandlung der beiden An­re­gung­en mit einer Zeitauflösung weit unter einer Milliardstel Sekunde. Bei der periodischen Umwandlung ent­steht eine neue Anregung, die gleichzeitig sowohl eine Schall- als auch eine Spinwelle ist.

Um diese starke Kopplung nachzuweisen, wurde die Oberfläche eines Ferromagneten mit einem speziellen Muster versehen: einem Gitter mit Abständen von gerade einmal einigen zehn Nanometern, also einigen zehn Milliardstel Metern. Ein ultrakurzer Laserpuls regt in dem ferromagnetischen Gitter sowohl die Schwing­ung­en der Atome als auch eine schwingende Bewegung ihres mag­ne­tischen Moments an – dadurch entstehen die Schall- und Spinwellen. Wenn die Wellen nicht nur in ihrer Frequenz, sondern auch in ihrer räumlichen Struktur übereinstimmen, führt das zu einer besonders starken Kopplung miteinander. Sie bilden also einen Hybridzustand.

Diese Beobachtung könnte zu­künf­tig für tech­no­lo­gi­sche Zwecke ver­wen­det wer­den: Denn indem man Spinwellen mit Schallwellen koppelt, lassen sie sich auch über größere Distanzen trans­por­tie­ren – was für die Kodierung und Über­tra­gung hochfrequenter Daten er­for­der­lich ist.

Ein ultrakurzer Laserpuls regt Schwing­ung­en der Atome und des mag­ne­tischen Moments in einem metallischen Magnetgitter an, wodurch Schall- und Spinwellen entstehen. Wenn die Frequenzen dieser beiden Wellen übereinstimmen, bilden sie eine hybride Welle, in der beide An­re­gung­en ih­re Ei­gen­schaf­ten einbringen. Das Bild zeigt die durch Ras­ter­elek­tro­nen­mi­kro­sko­pie gewonnene Aufnahme des untersuchten Gitters.

Seit unseren ersten Arbeiten im Bereich der ultraschnellen Magnetoakustik vor 10 Jahren haben wir versucht, diese starke Kopplung unmittelbar zu beobachten. Das Wissen aller beteiligten Kooperationspartner zu­sam­men­zu­brin­gen, war maßgeblich für diesen Erfolg: Aus Nottingham erhielten wir magnetische Proben in optimaler Qua­li­tät, die die Grundlage für die Untersuchungen in Dort­mund bildeten. Unsere Beobachtungen wurden durch ausgefeilte theoretische Modellrechnungen aus Sankt Petersburg und Kiew er­klärt und gestützt“, sagt Dr. Alexey Scherbakov. Professor Manfred Bayer, Rektor der TU Dort­mund und Mitglied im For­schungs­team, fügt hinzu: „Auch der Beitrag der Raith GmbH, einem der weltweit führenden Anbieter von Geräten für die Nanofabrikation, soll nicht unerwähnt bleiben: Sie hat Nanogitter höchster Qua­li­tät für uns produziert.“

Originalpublikation:
F. Godejohann, A. V. Scherbakov, S. M. Kukhtaruk, et al.: Magnon polaron formed by selectively coupled coherent magnon and phonon modes of a surface patterned ferromagnet. Physical Review  102, 144438 (2020)

Ansprechpersonen bei Rückfragen:

Kalender

Zur Veranstaltungsübersicht

Mensapläne

Anfahrt & Lageplan

Der Campus der TU Dort­mund liegt in der Nähe des Autobahnkreuzes Dort­mund West, wo die Sauerlandlinie A45 den Ruhrschnellweg B1/A40 kreuzt. Die Abfahrt Dort­mund-Eichlinghofen auf der A45 führt zum Campus Süd, die Abfahrt Dort­mund-Dorstfeld auf der A40 zum Campus-Nord. An beiden Ausfahrten ist die Uni­ver­si­tät ausgeschildert.
Für E-Autos gibt es eine Ladesäule am Campus Nord, Vogelpothsweg.

Direkt auf dem Campus Nord befindet sich die S-Bahn-Station „Dort­mund Uni­ver­si­tät“. Von dort fährt die S-Bahn-Linie S1 im 20- oder 30-Minuten-Takt zum Hauptbahnhof Dort­mund und in der Gegenrichtung zum Hauptbahnhof Düsseldorf über Bochum, Essen und Duisburg. Außerdem ist die Uni­ver­si­tät mit den Buslinien 445, 447 und 462 zu erreichen. Eine Fahrplanauskunft findet sich auf der Homepage des Verkehrsverbundes Rhein-Ruhr, außerdem bieten die DSW21 einen interaktiven Liniennetzplan an.
 

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Campus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Campus Nord und Campus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zurück.

Vom Flughafen Dort­mund aus gelangt man mit dem AirportExpress innerhalb von gut 20 Minuten zum Dort­mun­der Hauptbahnhof und von dort mit der S-Bahn zur Uni­ver­si­tät. Ein größeres Angebot an inter­natio­nalen Flugverbindungen bietet der etwa 60 Ki­lo­me­ter entfernte Flughafen Düsseldorf, der direkt mit der S-Bahn vom Bahnhof der Uni­ver­si­tät zu erreichen ist.

Die Ein­rich­tun­gen der TU Dort­mund verteilen sich auf den größeren Campus Nord und den kleineren Campus Süd. Zudem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen können Sie den Lageplänen entnehmen.