Ultraschneller Spin-abhängiger und Spin-Seebeck-Effekt: vom superdiffusiven Transport zu einem Spin-kaloritronischen Terahertz-Emitter

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Kampfrath
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257737198

Der longitudinale Spin-artige Seebeck-Effekt, d.h. das Treiben eines Spinstroms mittels eines Temperaturgradienten, ist ein zentrales Phänomen im Forschungsfeld der Spin-Kaloritronik. In metallischen Ferromagneten wird dieser Effekt als Spin-abhängiger Seebeck-Effekt bezeichnet, da er dort von der unterschiedlichen Mobilität der Majoritäts- und Minoritätselektronen herrührt. In isolierenden Ferromagneten spricht man vom Spin-Seebeck-Effekt, der dort auf Spintransport durch Magnonen zurückzuführen ist. Bisher wurden beide Effekte vorwiegend unter quasistatischen Bedingungen oder im Diffusionsregime untersucht. Solche Bedingungen verwischen jedoch die ablaufenden Elementarprozesse und verschaffen nur begrenzten Einblick in Anwendungen, für die sehr schnelle Variationen des Spinstroms erforderlich sind.In diesem Antrag schlagen wir vor, den Spin-abhängigen und den Spin-Seebeck-Effekt auf ultrakurzen Zeitskalen zu untersuchen. Zu diesem Zweck sollen mit Femtosekunden-Laserpulsen starke Wärmedichtegradienten in Ferromagneten (wie metallischem Fe, Co, Ni oder isolierendem Y3Fe5O12) erzeugt werden. Dieser optische Ansatz ermöglicht einfache Probengeometrien, d.h. ebene Filme und Multilagen, ohne die Notwendigkeit von elektrischer Kontaktierung oder Mikrostrukturierung. Nach der Erzeugung des Wärmedichtegradienten soll der resultierende Transport von Ladung, Spin und Wärme beobachtet werden, und zwar (i) mit Hilfe eines Femtosekunden-Laserpulses durch Ausnutzen von thermo- und magneto-optischen Effekten und (ii) durch Detektion des elektromagnetischen Terahertz-Pulses, der von den zeitlich variierenden Ladungs- und Spinströmen abgestrahlt wird.Da unsere Zeitauflösung vergleichbar mit den Geschwindigkeitsrelaxationszeiten der Elektronen (~10fs in d-Band-Metallen) und Magnonen (~10ps to ~100ns in Isolatoren) ist, die den Spinstrom tragen, werden wir direkte Einblicke in die ablaufenden, elementaren Transportschritte gewinnen. Wie stark beispielsweise ist in Isolatoren der Phononen-Wärmetransport mit dem Magnonen-Spintransport korreliert? Was passiert, wenn optische Phononen anstatt der Elektronen angeregt werden? Wie läuft der Spintransport in Metallen ab, wenn wir die Photonenenergie von ~50meV auf ~1.5eV erhöhen und damit lokal Elektronenverteilungen erzeugen, die nah bzw. fern einer Fermi-Dirac-Verteilung sind? Wie sollte die Probenstruktur gewählt werden, um Spinströme mit höchsten Spitzenwerten zu erzeugen? Durch Kombinieren solch starker Spinströme mit dem inversen Spin-Hall-Effekt werden wir eine effiziente Spin-kaloritronische Quelle von elektromagnetischer Strahlung konstruieren, die insbesondere den bisher schwer zugänglichen Frequenzbereich von 5 bis 10THz abdeckt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1538: Spin Caloric Transport (SpinCaT)