Optische Spin-flip Emission in magnetischen Punktkontakten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elke Scheer, seit 9/2018
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233759391

In diesem Projekt wird der experimentelle Nachweis erbracht, dass eine Spin-Besetzungsinversion in metallischen, magnetischen Punktkontakten zur Photoemission im Infrarotbereich führen kann. Dieser Effekt wurde theoretisch vorhergesagt, konnte aber bisher nicht direkt, experimentell nachgewiesen werden. Die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauelemente, deren Funktion im Wesentlichen auf dem Spin des Elektrons und nicht dessen Ladung basiert, ist eines der aktuellsten Forschungsgebiete der Festkörperphysik. Die Forschung konzentriert sich dabei vorwiegend auf den spin-abhängigen Elektronentransport in magnetischen Multilagensystemen, welche unter anderem in der Sensorik und magnetischen Datenspeicherung Anwendung finden. Neuere Arbeiten befassen sich mit nanoskaligen, magnetischen Systemen, bei denen die Erzeugung, Manipulation und Detektion von spinpolarisierten- und reinen Spinströmen im Vordergrund stehen. Theoretische Betrachtungen deuten darauf hin, dass solche magnetischen Nanostrukturen bisher unbekannte physikalische Effekte zeigen können, die auf dem Nichtgleichgewichtstransport von spin-polarisierten Strömen beruhen. Ein besonders interessantes und bisher unbekanntes Phänomen ist, dass magnetische Punktkontakte unter bestimmten Bedingungen elektromagnetische Strahlung emittieren. Dieser Effekt beruht auf der Erzeugung einer Spin-Besetzungsinversion in einem ferro- oder paramagntischen Metall, indem spin-polarisierte Elektronen aus einem Ferromagneten in das aktive Medium gepumpt werden. Beim Übergang in den Grundzustand wird unter bestimmten Bedingungen ein Photon emittiert, dessen Frequenz (im GHz und THz Bereich) durch die Energieaufspaltung der spin-Subbänder gegeben ist. Die theoretische Beschreibung dieses sog. spin-flip lasers wurde in den vergangenen Jahren von Anatoli Kadigrobov und Robert Shekhter et al. entwickelt, bisher gibt es jedoch keinen direkten experimentellen Nachweis. Das hier vorgeschlagene Projekt hat zum Ziel den spin-flip Laser Effekt in magnetische Punktkontakten experimentell nachzuweisen. Dazu werden nanoskalige, magnetische Heterostrukturen, bestehend aus einer ferromagnetischen Elektrode und einem schwach ferromagnetischen oder paramagnetischen aktiven Medium untersucht. Zunächst werden Punktkontaktmatrizen über selbstorganisierte Template hergestellt und hinsichtlich ihrer Eigenschaften charakterisiert. Anschließend werden die Bedingungen, unter denen eine Spin-Besetzungsinversion auftritt anhand von Transportuntersuchungen bestimmt. Anhand dieser Informationen kann die Photoemission der Punktkontaktmatrizen im GHz und THz Bereich gezielt stimuliert und direkt, optisch gemessen werden. Ein weiters Ziel ist die weiterentwicklung der theoretischen Beschreibung des spin-laser Effektes in magnetischen Punktkontakten. Dadurch wird das hier vorgeschlagene Projekt einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von spin-abhängigen, nichgleichgewichts Transportphänomenen in nanoskopischen Heterostrukturen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden, Ukraine
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Yurii Naidyuk; Professor Robert Shekhter
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Torsten Pietsch, Ph.D., bis 8/2018