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Grundlagenforschung für IT der Zukunft

For­schungs­team erzielt star­ke Kopplung von Schall- und Spinwellen in Magneten

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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)

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