Ultraschneller Spin-kaloritronischer Transport

• Antragsteller: Dr. Johannes Kimling
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 262433780

Die Spin-Kaloritronik ist ein junger Forschungszweig der aktuellen Festkörperphysik mit dem Ziel, Grundlagenwissen über den gekoppelten Ladungs-, Spin- und Wärmetransport zu erweitern. Hieraus sollen neue Technologien entstehen, z. B. zur kontrollierten Erzeugung und Manipulation von Spinströmen in Festkörperbauelementen. Die Erforschung von Spin-kaloritronischen Effekten wird durch das Fehlen eines direkten Messgeräts für Spinströme erschwert. Da im Experiment ausschließlich elektrische Signale gemessen werden, haben die postulierten Spinströme nach wie vor hypothetischen Charakter. Dieses Problem ist besonders kritisch, wenn konzeptionell neue Effekte untersucht werden sollen, wie z. B. Spin-Wärme-Akkumulation, Spin-Seebeck Effekte und Spin-Hall Magnetowiderstände. Alternative Messmethoden zur Untersuchung von Spin-kaloritronischen Effekten sind dringend notwendig, da sie unabhängige Überprüfungen von Theorien ermöglichen und die Entdeckung von neuen, in bisherigen Experimenten übersehenen Phänomenen ermöglichen. Das geplante Projekt befindet sich thematisch zwischen der Spin-Kaloritronik und der Kurzzeit-Magnetisierungsdynamik. Unser Ziel ist es, thermisch erzeugte Spinströme mit ps-Zeitauflösung und nm-Ortsauflösung zu messen, zu charakterisieren, zu verstehen und letztendlich zu kontrollieren, da innerhalb dieser fundamentalen Größenskalen der Nichtgleichgewichtszustand zwischen den unterschiedlichen thermischen Anregungen zum dominierenden Faktor in der Transportphysik wird. Daher planen wir, typische Strukturen und Materialien aus der Spin-Kaloritronik mit optischen Kurzzeit-Messtechniken zu untersuchen (sog. time-domain thermoreflectance und zeitaufgelöste Kerr-Effekt Magnetometrie). Zudem wollen wir ultraschnelle Entmagnetisierung ausnutzen um gerichtete Spinströme zu erzeugen. Unsere wichtigsten Ziele sind:- Senkrechter Wärmetransport in Co/Cu Mehrfachschichten. Wir wollen eine unmittelbare Auswirkung von Spin-Wärme-Akkumulation experimentell testen, indem wir die ps-Zeitentwicklung der Wärmeleitfähigkeit messen.- Wärmetransport durch magnetische Tunnelkontakte. Wir wollen wichtige empirische Daten für die Analyse von Tunnelmagneto-Seebeck Experimenten liefern, indem wir den Wärmewiderstand von typischen magnetischen Tunnelkontakten messen.- Thermisch getriebenes sog. spin tunneling. Wir wollen sog. spin tunneling mittels magnetooptischer Detektion von resultierender Spin-Akkumulation direkt nachweisen. Als Spinstromquellen wollen wir thermische getriebene ultraschnelle Entmagnetisierung sowie sog. Seebeck spin tunneling nutzen.- Spinkopplung zwischen Normalleitern und magnetischen Isolatoren. Wir wollen einen direkten und unabhängigen Test der Spinkopplung zwischen Normalleitern und magnetischen Isolatoren liefern, wobei unsere neuentwickelte gepulste Spinstromquelle zum Einsatz kommt. Mit diesem Experiment testen wir aktuelle Theorien zum Spin-Seebeck-Effekt, Spin-Pumping und Spin-Hall-Magnetowiderstand.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr.-Ing. David G. Cahill