Magnetoelastische Untersuchungen an magnetischen Dünnschichtsystemen mittels akustischer Oberflächenwellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt hatte zum Ziel, die magnetoakustische Wechselwirkung zwischen hochfrequenten akustischen Oberflächenwellen (SAWs) und Spinwellen (SWs) in magnetischen Dünnschichtsystemen zu untersuchen. Die magnetoakustische Wechselwirkung kann zum einen zur Anregung von SWs genutzt werden und zum andren das magnetische Schaltverhalten der magnetischen Dünnschicht beeinflussen. Die untersuchten Probensysteme bestehen aus einem piezoelektrischen Substrat und Interdigitalwandlern, die zur effizienten Anregung und Detektion von SAWs verwendet werden. Im Schallpfad der SAWs befindet sich die magnetische Dünnschicht. Während des Projekts stellte sich heraus, dass die Kopplung zwischen SAWs und SWs nichtreziprok ist. Dies bedeutet, dass sich die Transmission der SAW in Betrag und Phase unter einer Umkehrung der Ausbreitungsrichtung der SAW ändert. Der Schwerpunkt dieses Projekts lag in der Untersuchung von SAW-SW-Kopplungsphänomenen und deren Nichtreziprozität in verschiedenen piezoelektrisch-ferromagnetischen Hybridstrukturen. Wir konnten nachweisen, dass die magnetoakustische Anregung von SWs durch SAWs bereits nichtreziprok ist. Dies wird durch eine mögliche Fehlanpassung der Helizitäten des magnetoakustischen Antriebsfeldes und der Magnetisierungsdynamik verursacht. Dieser Effekt ist aufgrund der Magnetorotationskopplung in CoFeB(d)-Dünnschichten besonders ausgeprägt und wurde auch für verschiedene Moden von SAWs in Ni(10 nm)-Dünnschichten untersucht. Auch konnten wir zeigen, dass eine große nichtreziproke Transmission von SAWs in ferromagnetischen Dünnschichtsystemen mit nichtreziproker SW- Dispersion erzielt werden kann. Die SW-Dispersion von CoFeB(d: 1.4, …, 5 nm)/Pt(3 nm) Bilagen ist aufgrund der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung nichtreziprok. Ferner ist in NiFe(20 nm)/Au(5 nm)/CoFeB(5 nm) die SW Dispersion aufgrund der dipolaren Felder der beiden ferromagnetischen Dünnschichten nichtreziprok. Die Kombination aus nichtreziproker magnetoakustischer Anregung und nichtreziproker SW-Dispersion führt zu einer ausgeprägt nichtreziproken Transmissionscharakteristik für die hergestellten Hybridstrukturen. Dieses nichtreziproke Verhalten eröffnet weitere Perspektiven zur Realisierung neuartiger miniaturisierter und energieeffizienter Hochfrequenzkomponenten, wie z. B. akustische Isolatoren oder Zirkulatoren. Darüber hinaus wurde ein phänomenologisches Modell zur Interpretation der magnetoakustischen Transmissionsmessungen entwickelt. Dieses Modell ermöglicht es SWs zu charakterisieren und magnetische Parameter magnetischer Dünnschichten zu ermitteln. Beispielsweise kann die effektive Dzyaloshinskii-Moriya-Konstante bestimmt werden. Des Weiteren haben wir nachgewiesen, dass die magnetoakustische Anregung und Charakterisierung von SWs unter Verwendung spezieller, sogenannter „tapered“- Interdigitalwandler, mit einer räumlichen Auflösung im Mikrometerbereich möglich ist. Auch ermöglicht die Symmetrie der magnetoelastischen Antriebsfelder von Rayleigh- und horizontalen SAW-Schermoden die Anregung von Spinwellen für jede relative Ausrichtung der Magnetisierung und der SAW-Ausbreitungsrichtung und kann darüber hinaus zur Charakterisierung von Oberflächendehnungskomponenten unbekannter akustischer Wellenmoden verwendet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Surface acoustic wave mediated magneto elastic investigation of magnetic thin films, DPG Spring Meeting 2019 (31 März – 5 April 2019, Regensburg, Deutschland) – MA 15.40
M. Küß, M. Heigl, A. Hörner, M. Albrecht & A. Wixforth
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Nonreciprocal Dzyaloshinskii–Moriya Magnetoacoustic Waves. Physical Review Letters, 125(21).
Küß, M.; Heigl, M.; Flacke, L.; Hörner, A.; Weiler, M.; Albrecht, M. & Wixforth, A.
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Surface acoustic wave driven spin wave resonance spectroscopy, Mauterndorf 2020: 21st International Winter School on New Developments in Solid State Physics (23 – 28 Februar 2020, Mauterndorf, Österreich).
M. Küß, A. Hörner, M. Heigl, M. Albrecht & A. Wixforth
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Nonreciprocal magnetoacoustic surface waves in dipolar coupled ferromagnetic bilayers, The European Con- ference Physics of Magnetism 2021 (28 Juni – 2 Juli 2021, Poznań, Polen) – O-3-02.
Küß, M.; Heigl, M.; Flacke, L.; Hörner, A.; Weiler, M.; Wixforth, A. & Albrecht, M.
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Nonreciprocal Magnetoacoustic Waves in Dipolar-Coupled Ferromagnetic Bilayers. Physical Review Applied, 15(3).
Küß, M.; Heigl, M.; Flacke, L.; Hörner, A.; Weiler, M.; Wixforth, A. & Albrecht, M.
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Symmetry of the Magnetoelastic Interaction of Rayleigh and Shear Horizontal Magnetoacoustic Waves in Nickel Thin Films on LiTaO3. Physical Review Applied, 15(3).
Küß, M.; Heigl, M.; Flacke, L.; Hefele, A.; Hörner, A.; Weiler, M.; Albrecht, M. & Wixforth, A.
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Chiral Magnetoacoustics. Frontiers in Physics, 10.
Küß, Matthias; Albrecht, Manfred & Weiler, Mathias
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Forward volume magnetoacoustic spin wave excitation with micron-scale spatial resolution. APL Materials, 10(8).
Küß, M.; Porrati, F.; Hörner, A.; Weiler, M.; Albrecht, M.; Huth, M. & Wixforth, A.
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Nonreciprocal magnetoacoustic surface waves in a dipolar coupled ferromagnetic bilayer, 2022 Joint MMM-Intermag Conference (INTERMAG) (10 – 14 Januar 2022, New Orleans, USA) – HOJ-13
M. Küß
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Symmetry of the magnetoelastic interaction of Rayleigh and shear horizontal-magnetoacoustic waves, DPG Meeting 2022 (4 – 9 September 2022, Regensburg, Deutschland)
Küß, M.; Heigl, M.; Flacke, L.; Hefele, A.; Hörner, A.; Weiler, M.; Albrecht, M. & Wixforth, A.
