Elektrische Erzeugung und Detektion von Spindynamik durch Spin-Orbit-Wechselwirkung

• Antragsteller: Professor Dr. Mathias Weiler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387161541

Das Forschungsgebiet der Spintronik befasst sich mit der Wechselwirkung von Spin- und Ladungsfreiheitsgraden für Anwendungen in der Informationstechnologie. Diese Wechselwirkung kann durch die Spin-Bahn-Kopplung hervorgerufen werden, so dass es möglich ist, Spindynamik durch Ladungsströme zu erzeugen, und umgekehrt. Dieses Prinzip hat enormes Potential für Anwendungen, da es kompatibel mit konventioneller Elektronik ist und diese um den Spinfreiheitsgrad erweitert. Die mikroskopischen Prozesse, die eine solche Wechselwirkung von Spin- und Ladungsfreiheitsgraden ermöglichen, sind jedoch bisher nur unzureichend verstanden. Dadurch ist es schwierig, quantitative oder auch nur qualitative Vorhersagen über die Funktion von spintronischen Elementen zu treffen.Im Rahmen dieses Projektes sollen Einsichten in die physikalischen Grundlagen dieser Spin-Bahn Drehmomente erlangt, sowie Materialkombinationen und Konzepte für die Spintronik identifiziert werden. Die experimentellen Studien werden an ultradünnen magnetischen Filmen in Kontakt zu metallischen Materialien mit starker Spin-Bahn Kopplung durchgeführt. Dabei werden mikro- und nanostrukturierte Multilagen mit metallischen oder isolierenden magnetischen Schichten verwendet. Durch die inhärent gebrochene Symmetrie an der Grenzfläche der magnetischen und nichtmagnetischen Materialien können Ladungsströme ein Spin-Bahn Drehmoment auf die magnetischen Momente in diesen Systemen ausüben. Des Weiteren kann hier eine nicht-triviale, verkippte räumliche Anordnung der magnetischen Momente durch die antisymmetrische Austauschwechselwirkung an der Grenzfläche entstehen. Eine chirale magnetische Ordnung, die als Skyrmion bezeichnet wird, ist dabei von besonderer fundamentaler und technologischer Bedeutung, da Skyrmionen sich besonders effizient mit den Prinzip der strominduzierten Spin-Bahn Drehmomente kontrollieren lassen sollten. Im Rahmen dieses Projektes soll die Wechselwirkung von Ladungsströmen mit Magnetisierungsdynamik im GHz-Frequenzbereich experimentell untersucht werden. Dabei werden induktive und optische Techniken, die es erlauben magnetische Anregungen auf der Mikro- und Nanoskala zu detektieren, verwendet. Da eine Fertigung in kleiner Strukturgröße sowie die Operation im GHz-Frequenzbereich eine Grundvoraussetzung für spintronische Anwendungen ist, werden die erlangten Resultate einen direkten Anwendungsbezug haben. Schlussendlich gehören Spin-Orbit und Austauschwechselwirkung zu den grundlegendsten Phänomenen im Magnetismus, so dass die Einsichten aus diesem Projekt auch jenseits der Spintronik von fundamentaler Bedeutung sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Rudolf Gross