Nanometer-dicke YIG-Funktionsschichten und mikrostrukturierte Oberflächen für Spintronik-Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Andrij Chumak; Dr. Carsten Dubs; Professor Dr. Burkard Hillebrands
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 271741898

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das durchgeführte Projekt demonstriert die Entwicklung von nanometerdicken Yttrium-Eisen-Granat (YIG)- und Gallium-substituierten YIG (Ga:YIG)-Schichten für Isolatoren-basierte spintronische Anwendungen, die mittels Flüssigphasen-Epitaxie-Technik (LPE) gezüchtet wurden. Drei Forschungsteams bearbeiteten das Projekt: Die LPE-Wachstumsmethodik wurde bei INNOVENT in Jena etabliert und optimiert und die Proben wurden an der TU Kaiserslautern und der Universität Wien eingehend charakterisiert und für die angewandte Forschung eingesetzt. Zu den Erfolgen gehören: (i) die Entwicklung von Methoden zur Herstellung von nanometerdicken YIG- und YIG-basierten Schichten mit hoher Qualität und hervorragenden Mikrowelleneigenschaften; (ii) die Entdeckung eines neuen physikalischen Phänomens der Bose- Einstein-Kondensation (BEC), das durch schnelle Abkühlung ausgelöst wird, und Mittel zu seiner Kontrolle; (iii) die erfolgreiche Nanostrukturierung der nm-dicken Schichten und die Untersuchung ihrer Spin-Wellen-Dispersion; (iv) die Entdeckung von schnellen isotropen Austausch-Spinwellen und von Magnonic-Foldover-Effekten in teilweise magnetisch kompensierten Ga:YIG- Dünnschichten gefolgt von der Herstellung von Logikbauelement-Prototypen; (v) Entwicklung von magnetisch kompensierten GaLa:YIG-Schichten mit robuster magnetischer Anisotropie in der Ebene (IMA); (vi) Nachweis der nichtlinearen Anregung von selbstnormierten Austausch-Spinwellen; (vii) Beobachtung von sich ausbreitenden Spinwellen in einem weiten Temperaturbereich von Millikelvin bis Raumtemperatur; (viii) parametrische Erzeugung von Spinwellen in nanoskaligen YIG- Magnonikleitungen (ix) Entwurf eines Prototyps für Spinwellenlogik und Datenverarbeitung im Nanomaßstab (magnetischer Richtkoppler). Diese funktionalen Schichten und mikrostrukturierten Oberflächen stehen nun für die Herstellung einer Vielzahl von magnetischen Bauelementen für die digitale und analoge Informationsübertragung und -verarbeitung zur Verfügung, die sich für boolesche oder wellenbasierte, neuromorphe und nicht-boolesche Bauelemente für konventionelle und unkonventionelle Computeranwendungen eignen und die fortschrittlichste digitale Technologieplattform der CMOS-Architektur ergänzen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Relative weight of the inverse spin-Hall and spin-rectification effects for metallic polycrystalline Py/Pt, epitaxial Fe/Pt, and insulating YIG/Pt bilayers: Angular dependent spin pumping measurements. Physical Review B, 96(2).
  Keller, S.; Greser, J.; Schweizer, M. R.; Conca, A.; Lauer, V.; Dubs, C.; Hillebrands, B. & Papaioannou, E. Th.
  
• Sub-micrometer yttrium iron garnet LPE films with low ferromagnetic resonance losses. Journal of Physics D: Applied Physics, 50(20), 204005.
  Dubs, Carsten; Surzhenko, Oleksii; Linke, Ralf; Danilewsky, Andreas; Brückner, Uwe & Dellith, Jan
  
• Direct observation of coherent magnons with suboptical wavelengths in a single-crystalline ferrimagnetic insulator. Physical Review B, 100(21).
  Förster, J.; Gräfe, J.; Bailey, J.; Finizio, S.; Träger, N.; Groß, F.; Mayr, S.; Stoll, H.; Dubs, C.; Surzhenko, O.; Liebing, N.; Woltersdorf, G.; Raabe, J.; Weigand, M.; Schütz, G. & Wintz, S.
  
• Interplay of Magnetization Dynamics with a Microwave Waveguide at Cryogenic Temperatures. Physical Review Applied, 11(4).
  Golovchanskiy, I.A.; Abramov, N.N.; Pfirrmann, M.; Piskor, T.; Voss, J.N.; Baranov, D.S.; Hovhannisyan, R.A.; Stolyarov, V.S.; Dubs, C.; Golubov, A.A.; Ryazanov, V.V.; Ustinov, A.V. & Weides, M.
  
• Nanoscale X-ray imaging of spin dynamics in yttrium iron garnet. Journal of Applied Physics, 126(17).
  Förster, J.; Wintz, S.; Bailey, J.; Finizio, S.; Josten, E.; Dubs, C.; Bozhko, D. A.; Stoll, H.; Dieterle, G.; Träger, N.; Raabe, J.; Slavin, A. N.; Weigand, M.; Gräfe, J. & Schütz, G.
  
• Optimization of Spin-Wave Propagation with Enhanced Group Velocities by Exchange-Coupled Ferrimagnet-Ferromagnet Bilayers. Physical Review Applied, 11(3).
  An, K.; Bhat, V.S.; Mruczkiewicz, M.; Dubs, C. & Grundler, D.
  
• Spin Pinning and Spin-Wave Dispersion in Nanoscopic Ferromagnetic Waveguides. Physical Review Letters, 122(24).
  Wang, Q.; Heinz, B.; Verba, R.; Kewenig, M.; Pirro, P.; Schneider, M.; Meyer, T.; Lägel, B.; Dubs, C.; Brächer, T. & Chumak, A. V.
  
• A magnonic directional coupler for integrated magnonic half-adders. Nature Electronics, 3(12), 765-774.
  Wang, Q.; Kewenig, M.; Schneider, M.; Verba, R.; Kohl, F.; Heinz, B.; Geilen, M.; Mohseni, M.; Lägel, B.; Ciubotaru, F.; Adelmann, C.; Dubs, C.; Cotofana, S. D.; Dobrovolskiy, O. V.; Brächer, T.; Pirro, P. & Chumak, A. V.
  
• Bose–Einstein condensation of quasiparticles by rapid cooling. Nature Nanotechnology, 15(6), 457-461.
  Schneider, Michael; Brächer, Thomas; Breitbach, David; Lauer, Viktor; Pirro, Philipp; Bozhko, Dmytro A.; Musiienko-Shmarova, Halyna Yu.; Heinz, Björn; Wang, Qi; Meyer, Thomas; Heussner, Frank; Keller, Sascha; Papaioannou, Evangelos Th.; Lägel, Bert; Löber, Thomas; Dubs, Carsten; Slavin, Andrei N.; Tiberkevich, Vasyl S.; Serga, Alexander A. ... & Chumak, Andrii V.
  
• Efficient wavelength conversion of exchange magnons below 100 nm by magnetic coplanar waveguides. Nature Communications, 11(1).
  Che, Ping; Baumgaertl, Korbinian; Kúkol’ová, Anna; Dubs, Carsten & Grundler, Dirk
  
• Low damping and microstructural perfection of sub-40nm-thin yttrium iron garnet films grown by liquid phase epitaxy. Physical Review Materials, 4(2).
  Dubs, Carsten; Surzhenko, Oleksii; Thomas, Ronny; Osten, Julia; Schneider, Tobias; Lenz, Kilian; Grenzer, Jörg; Hübner, René & Wendler, Elke
  
• Parametric Generation of Propagating Spin Waves in Ultrathin Yttrium Iron Garnet Waveguides. physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 14(4).
  Mohseni, Morteza; Kewenig, Martin; Verba, Roman; Wang, Qi; Schneider, Michael; Heinz, Björn; Kohl, Felix; Dubs, Carsten; Lägel, Bert; Serga, Alexander A.; Hillebrands, Burkard; Chumak, Andrii V. & Pirro, Philipp
  
• Propagation of Spin-Wave Packets in Individual Nanosized Yttrium Iron Garnet Magnonic Conduits. Nano Letters, 20(6), 4220-4227.
  Heinz, Björn; Brächer, Thomas; Schneider, Michael; Wang, Qi; Lägel, Bert; Friedel, Anna M.; Breitbach, David; Steinert, Steffen; Meyer, Thomas; Kewenig, Martin; Dubs, Carsten; Pirro, Philipp & Chumak, Andrii V.
  
• Temperature Dependence of Spin Pinning and Spin-Wave Dispersion in Nanoscopic Ferromagnetic Waveguides. Ukrainian Journal of Physics, 65(12), 1094.
  Heinz, B.; Wang, Q.; Verba, R.; Vasyuchka, V.I.; Kewenig, M.; Pirro, P.; Schneider, M.; Meyer, T.; Lägel, B.; Dubs, C.; Brächer, T.; Dobrovolskiy, O.V. & Chumak, A.V.
  
• Control of the Bose-Einstein Condensation of Magnons by the Spin Hall Effect. Physical Review Letters, 127(23).
  Schneider, Michael; Breitbach, David; Serha, Rostyslav O.; Wang, Qi; Serga, Alexander A.; Slavin, Andrei N.; Tiberkevich, Vasyl S.; Heinz, Björn; Lägel, Bert; Brächer, Thomas; Dubs, Carsten; Knauer, Sebastian; Dobrovolskiy, Oleksandr V.; Pirro, Philipp; Hillebrands, Burkard & Chumak, Andrii V.
  
• Controlling the Nonlinear Relaxation of Quantized Propagating Magnons in Nanodevices. Physical Review Letters, 126(9).
  Mohseni, M.; Wang, Q.; Heinz, B.; Kewenig, M.; Schneider, M.; Kohl, F.; Lägel, B.; Dubs, C.; Chumak, A. V. & Pirro, P.
  
• Electrical spectroscopy of the spin-wave dispersion and bistability in gallium-doped yttrium iron garnet. Applied Physics Letters, 119(20).
  Carmiggelt, Joris J.; Dreijer, Olaf C.; Dubs, Carsten; Surzhenko, Oleksii & van der Sar, Toeno
  
• Long-range spin-wave propagation in transversely magnetized nano-scaled conduits. Applied Physics Letters, 118(13).
  Heinz, Björn; Wang, Qi; Schneider, Michael; Weiß, Elisabeth; Lentfert, Akira; Lägel, Bert; Brächer, Thomas; Dubs, Carsten; Dobrovolskiy, Oleksandr V.; Pirro, Philipp & Chumak, Andrii V.
  
• Spin-Wave Dispersion Measurement by Variable-Gap Propagating Spin-Wave Spectroscopy. Physical Review Applied, 16(5).
  Vaňatka, Marek; Szulc, Krzysztof; Wojewoda, Ondřej; Dubs, Carsten; Chumak, Andrii V.; Krawczyk, Maciej; Dobrovolskiy, Oleksandr V.; Kłos, Jarosław W. & Urbánek, Michal
  
• Stabilization of a nonlinear magnonic bullet coexisting with a Bose-Einstein condensate in a rapidly cooled magnonic system driven by spin-orbit torque. Physical Review B, 104(14).
  Schneider, Michael; Breitbach, David; Serha, Rostyslav O.; Wang, Qi; Mohseni, Morteza; Serga, Alexander A.; Slavin, Andrei N.; Tiberkevich, Vasyl S.; Heinz, Björn; Brächer, Thomas; Lägel, Bert; Dubs, Carsten; Knauer, Sebastian; Dobrovolskiy, Oleksandr V.; Pirro, Philipp; Hillebrands, Burkard & Chumak, Andrii V.
  
• Xenon Plasma Focused Ion Beam Milling for Obtaining Soft X-ray Transparent Samples. Crystals, 11(5), 546.
  Mayr, Sina; Finizio, Simone; Reuteler, Joakim; Stutz, Stefan; Dubs, Carsten; Weigand, Markus; Hrabec, Aleš; Raabe, Jörg & Wintz, Sebastian
  
• Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing. IEEE Transactions on Magnetics, 58(6), 1-72.
  Chumak, A. V.; Kabos, P.; Wu, M.; Abert, C.; Adelmann, C.; Adeyeye, A. O.; Akerman, J.; Aliev, F. G.; Anane, A.; Awad, A.; Back, C. H.; Barman, A.; Bauer, G. E. W.; Becherer, M.; Beginin, E. N.; Bittencourt, V. A. S. V.; Blanter, Y. M.; Bortolotti, P.; Boventer, I. ... & Zhang, X.
  
• Experimental Demonstration of a Spin-Wave Lens Designed With Machine Learning. IEEE Magnetics Letters, 13(2022), 1-5.
  Kiechle, Martina; Maucha, Levente; Ahrens, Valentin; Dubs, Carsten; Porod, Wolfgang; Csaba, Gyorgy; Becherer, Markus & Papp, Adam
  
• Fast long-wavelength exchange spin waves in partially compensated Ga:YIG. Applied Physics Letters, 120(10).
  Böttcher, T.; Ruhwedel, M.; Levchenko, K. O.; Wang, Q.; Chumak, H. L.; Popov, M. A.; Zavislyak, I. V.; Dubs, C.; Surzhenko, O.; Hillebrands, B.; Chumak, A. V. & Pirro, P.
  
• Parametric generation of spin waves in nanoscaled magnonic conduits. Physical Review B, 105(14).
  Heinz, Björn; Mohseni, Morteza; Lentfert, Akira; Verba, Roman; Schneider, Michael; Lägel, Bert; Levchenko, Khrystyna; Brächer, Thomas; Dubs, Carsten; Chumak, Andrii V. & Pirro, Philipp
  
• Deeply nonlinear excitation of self-normalized short spin waves. Science Advances, 9(32).
  Wang, Qi; Verba, Roman; Heinz, Björn; Schneider, Michael; Wojewoda, Ondřej; Davídková, Kristýna; Levchenko, Khrystyna; Dubs, Carsten; Mauser, Norbert J.; Urbánek, Michal; Pirro, Philipp & Chumak, Andrii V.
  
• High wave vector non-reciprocal spin wave beams. AIP Advances, 13(2).
  Temdie, L.; Castel, V.; Dubs, C.; Pradhan, G.; Solano, J.; Majjad, H.; Bernard, R.; Henry, Y.; Bailleul, M. & Vlaminck, V.
  
• Negligible magnetic losses at low temperatures in liquid phase epitaxy grown Y3Fe5O12 films. Physical Review Materials, 7(5).
  Will-Cole, A. R.; Hart, James L.; Lauter, Valeria; Grutter, Alexander; Dubs, Carsten; Lindner, Morris; Reimann, Timmy; Valdez, Nichole R.; Pearce, Charles J.; Monson, Todd C.; Cha, Judy J.; Heiman, Don & Sun, Nian X.
  
• Propagating spin-wave spectroscopy in a liquid-phase epitaxial nanometer-thick YIG film at millikelvin temperatures. Journal of Applied Physics, 133(14).
  Knauer, Sebastian; Davídková, Kristýna; Schmoll, David; Serha, Rostyslav O.; Voronov, Andrey; Wang, Qi; Verba, Roman; Dobrovolskiy, Oleksandr V.; Lindner, Morris; Reimann, Timmy; Dubs, Carsten; Urbánek, Michal & Chumak, Andrii V.