Elektrische Erzeugung und Detektion von Spindynamik durch Spin-Orbit-Wechselwirkung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gebiet der Spintronik zielt darauf ab, die Wechselwirkung von elektronischen Spin- und Ladungsfreiheitsgraden für die zukünftige Informationstechnologie zu nutzen. Eine zentrale Herausforderung der Spintronik ist die energieeffiziente Kontrolle der Magnetisierungsrichtung. Eine solche Kontrolle kann z. B. zur Codierung von Datenbits durch Magnetisierungsrichtung verwendet werden. Die Magnetisierungskontrolle mit externen Magnetfeldern ist zwar verhältnismäßig einfach, aber nicht sehr energieeffizient, da die Erzeugung der Magnetfelder erhebliche elektrische Ströme mit entsprechender Verlustleistung erfordert. Wenn die elektrischen Ströme direkt in Nanostrukturen fließen, die das magnetische Material enthalten, können so genannte Spin-Bahn-Drehmomente auf die Magnetisierung einwirken und ihre Orientierung kontrollieren, ohne dass externe Magnetfelder erforderlich sind. Dieses Spin-Bahn-Drehmoment-Verfahren kann viel effizienter sein als die Magnetisierungskontrolle durch Magnetfelder und es ist für Anwendungen in Nanostrukturen besser geeignet. Das Verständnis und die Optimierung von Spin-Bahn-Drehmomenten ist daher von großer Bedeutung für effiziente spintronische Bauelemente wie magnetische Speicher (MRAM) oder Spin-Wellen-Logik (Magnonik). Im Rahmen dieses Projekts wurden Einblicke in die physikalischen Konzepte von Spin-Bahn- Drehmomenten gewonnen und vielversprechende Materialkombinationen und neue Konzepte für die Spintronik identifiziert. Zu diesem Zweck haben wir die Spin-Bahn-Drehmomente in magnetischen Heterostrukturen experimentell bestimmt. Wir untersuchten Spin-Bahn-Drehmomente in Heterostrukturen, die aus Dünnschicht-Ferromagneten und Schwermetallen sowie aus Dünnschicht-Ferromagneten und Supraleitern bestehen. In unseren experimentellen Studien verwendeten wir eine neuartige Spin-Bahn-Drehmoment-Spektroskopietechnik, die von uns in Zusammenarbeit mit Forschern des NIST entwickelt wurde. Das Verfahren basiert auf einer quantitativen und selbstkalibrierten Vektornetzwerk-Analyse. Unsere Technik erlaubt es auf einzigartige Weise, Spin-Bahn-Drehmomente in unstrukturierten Dünnschicht-Heterostrukturen zu studieren und ermöglicht somit Spin-Bahn-Drehmoment-Messungen mit hohem Durchsatz. Die Technik macht sich die Reziprozität von direkten und inversen Spin-Bahn-Drehmomenten im linearen Antwortbereich zunutze. Neben der integralen Bestimmung der Spin-Bahn-Drehmomente sind ortsaufgelöste Messungen der Magnetisierungsdynamik der Schlüssel zu deren mikroskopischem Verständnis. Zu diesem Zweck haben wir eine optische Mikroskopietechnik entwickelt, mit der phasenaufgelöste Magnetisierungsdynamik im GHz-Frequenzbereich mit einer räumlichen Auflösung im subµm-Bereich gemessen werden kann. Mit unseren experimentellen Techniken konnten wir kompositionsabhängige Spin-Bahn-Drehmomente in Heterostrukturen auf Schwermetall-/ Ferromagnetbasis sowie die Temperaturabhängigkeit von Spin-Bahn-Drehmomenten in Heterostrukturen auf Supraleiter-/ Ferromagnetbasis nachweisen. Darüber hinaus haben wir die Anregung und Detektion von Spinwellen mit Phasenauflösung in sehr schwach gedämpften metallischen Magneten demonstriert, die für Magnon-Logik-Bauelemente von großer Bedeutung sind. Die erzielten Ergebnisse haben direkte Auswirkungen auf die praktische Realisierung von spintronischen Bauelementen, die eine kleine Strukturgröße und einen Betrieb im GHz-Frequenzbereich erfordern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Exchange-Enhanced Ultrastrong Magnon-Magnon Coupling in a Compensated Ferrimagnet. Physical Review Letters, 123(11).
Liensberger, Lukas; Kamra, Akashdeep; Maier-Flaig, Hannes; Geprägs, Stephan; Erb, Andreas; Goennenwein, Sebastian T. B.; Gross, Rudolf; Belzig, Wolfgang; Huebl, Hans & Weiler, Mathias
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High spin-wave propagation length consistent with low damping in a metallic ferromagnet. Applied Physics Letters, 115(12).
Flacke, Luis; Liensberger, Lukas; Althammer, Matthias; Huebl, Hans; Geprägs, Stephan; Schultheiss, Katrin; Buzdakov, Aleksandr; Hula, Tobias; Schultheiss, Helmut; Edwards, Eric R. J.; Nembach, Hans T.; Shaw, Justin M.; Gross, Rudolf & Weiler, Mathias
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Magnetoelasticity of Co25Fe75 thin films. Journal of Applied Physics, 126(10).
Schwienbacher, Daniel; Pernpeintner, Matthias; Liensberger, Lukas; Edwards, Eric R. J.; Nembach, Hans T.; Shaw, Justin M.; Weiler, Mathias; Gross, Rudolf & Huebl, Hans
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Spin Transport in a Magnetic Insulator with Zero Effective Damping. Physical Review Letters, 123(25).
Wimmer, T.; Althammer, M.; Liensberger, L.; Vlietstra, N.; Geprägs, S.; Weiler, M.; Gross, R. & Huebl, H.
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Spin-Wave Propagation in Metallic Co25Fe75 Films Determined by Microfocused Frequency-Resolved Magneto-Optic Kerr Effect. IEEE Magnetics Letters, 10(2019), 1-5.
Liensberger, Lukas; Flacke, Luis; Rogerson, David; Althammer, Matthias; Gross, Rudolf & Weiler, Mathias
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High-Throughput Techniques for Measuring the Spin Hall Effect. Physical Review Applied, 14(6).
Meinert, Markus; Gliniors, Björn; Gueckstock, Oliver; Seifert, Tom S.; Liensberger, Lukas; Weiler, Mathias; Wimmer, Sebastian; Ebert, Hubert & Kampfrath, Tobias
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Nonlinear losses in magnon transport due to four-magnon scattering. Applied Physics Letters, 117(4).
Hula, Tobias; Schultheiss, Katrin; Buzdakov, Aleksandr; Körber, Lukas; Bejarano, Mauricio; Flacke, Luis; Liensberger, Lukas; Weiler, Mathias; Shaw, Justin M.; Nembach, Hans T.; Fassbender, Jürgen & Schultheiss, Helmut
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Growth optimization of TaN for superconducting spintronics. Materials for Quantum Technology, 1(4), 045001.
Müller, M.; Hoepfl, R.; Liensberger, L.; Geprägs, S.; Huebl, H.; Weiler, M.; Gross, R. & Althammer, M.
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Robust formation of nanoscale magnetic skyrmions in easy-plane anisotropy thin film multilayers with low damping. Physical Review B, 104(10).
Flacke, Luis; Ahrens, Valentin; Mendisch, Simon; Körber, Lukas; Böttcher, Tobias; Meidinger, Elisabeth; Yaqoob, Misbah; Müller, Manuel; Liensberger, Lukas; Kákay, Attila; Becherer, Markus; Pirro, Philipp; Althammer, Matthias; Geprägs, Stephan; Huebl, Hans; Gross, Rudolf & Weiler, Mathias
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Spin to charge conversion in Si/Cu/ferromagnet systems investigated by ac inductive measurements. Physical Review B, 103(9).
Shigematsu, Ei; Liensberger, Lukas; Weiler, Mathias; Ohshima, Ryo; Ando, Yuichiro; Shinjo, Teruya; Huebl, Hans & Shiraishi, Masashi
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Temperature-Dependent Spin Transport and Current-Induced Torques in Superconductor-Ferromagnet Heterostructures. Physical Review Letters, 126(8).
Müller, M.; Liensberger, L.; Flacke, L.; Huebl, H.; Kamra, A.; Belzig, W.; Gross, R.; Weiler, M. & Althammer, M.
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Tunable cooperativity in coupled spin-cavity systems. Physical Review B, 104(10).
Liensberger, Lukas; Haslbeck, Franz X.; Bauer, Andreas; Berger, Helmuth; Gross, Rudolf; Huebl, Hans; Pfleiderer, Christian & Weiler, Mathias
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A GHz Operating CMOS Compatible ScAlN Based SAW Resonator Used for Surface Acoustic Waves/Spin Waves Coupling. IEEE Electron Device Letters, 43(9), 1551-1554.
Zdru, I.; Nastase, C.; Hess, L. N.; Ciubotaru, F.; Nicoloiu, A.; Vasilache, D.; Dekkers, M.; Geilen, M.; Ciornei, C.; Boldeiu, G.; Dinescu, A.; Adelmann, C.; Weiler, M.; Pirro, P. & Muller, A.
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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.
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Spin-wave frequency combs. Applied Physics Letters, 121(11).
Hula, T.; Schultheiss, K.; Gonçalves, F. J. T.; Körber, L.; Bejarano, M.; Copus, M.; Flacke, L.; Liensberger, L.; Buzdakov, A.; Kákay, A.; Weiler, M.; Camley, R.; Fassbender, J. & Schultheiss, H.
