Antiferromagnetischer Spintransport - von Hematit zu Orthoferriten

• Antragsteller: Professor Dr. Mathias Kläui; Professor Dr. Ulrich Nowak
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423441604

Die Spintronik erforscht den Transport von Drehimpuls in typischerweise nanostrukturierten Materialien. Traditionell werden spinpolarisierte Elektronen als Träger des Drehimpulses in Metallen verwendet. In jüngster Zeit hat sich der Fokus aber auf magnonische Spinströme gerichtet, die in magnetischen Isolatoren ohne ohmsche Verluste Drehimpuls transportieren können. In diesem aufstrebenden Forschungsgebiet wurden zunächst ferromagnetische Isolatoren betrachtet bis gezeigt wurde, dass auch Antiferromagnete als aktive Komponenten geeignet sind, da dafür grundlegende Funktionalitäten - das elektrische Lesen und Schreiben - nachgewiesen wurden. Antiferromagnetische Isolatoren erlangen aufgrund ihrer niedrigen Dämpfung und ihrer ultraschnellen Dynamik zunehmend Aufmerksamkeit und könnten für die Entwicklung von Spintronik-Bauelementen der nächsten Generation bedeutend werden. Hämatit, der Hauptbestandteil von Rost, ist ein isolierendes antiferromagnetisches Mineral, das aufgrund seiner Fähigkeit, Spininformation über lange Distanzen zu transportieren, ein vielversprechender Kandidat ist, der im Fokus unseres vorangegangenen Projekts stand. In unserem Nachfolgeprojekt wollen wir den Vorteil von Hämatit nutzen, durch Dotierung die magnetischen Eigenschaften kontrollieren zu können und insbesondere den Einfluss der Anisotropie auf den Spintransport untersuchen. Darüber hinaus werden wir unsere Studie auf eine vielversprechende Klasse von dielektrischen Antiferromagneten erweitern, die Seltenerd-Orthoferrite. Deren magnetischen Eigenschaften sind mit Hämatit verwandt, so zeigen auch diese Materialien eine breite Palette stark anisotroper Eigenschaften, die zu Spin-Reorientierungsübergängen, schwachem Ferromagnetismus und kontrollierbarer Dämpfung führen. Unser Projekt soll experimentelle und theoretische Ansätze kombinieren, um die Mechanismen des magnonischen Spintransports in dotiertem Hämatit und ausgewählten Orthoferriten zu untersuchen und zu verstehen. Das Probenwachstum dünner Hämatit- und Orthoferrit-Filme wird entwickelt und optimiert, während gleichzeitig Spinmodelle auf Basis von Ab-Initio-Rechnungen parametrisiert werden. Die statischen und dynamischen magnetischen Eigenschaften werden dann durch eine Kombination von Magneto-Transport-Messungen, magneto-optischen Messungen und Multiskalen-Simulationen untersucht. Das Hauptziel ist das Verständnis der Auswirkungen von Kristallstruktur und Dotierung auf den Spintransport. Darüber hinaus wird dieses Projekt Spintransport durch hybride Quasiteilchen wie Magnon-Phonon-Polaronen untersuchen. So kann das Potenzial der untersuchten Materialien für neue Bauelementkonzepte untersucht werden, bei denen lateraler Spintransport durch lokale Gates und vertikaler Transport durch magnonische Spinventile gesteuert wird. Zusammenfassend wird dieses Projekt laufende Forschungsvorhaben unterstützen, die Vorteile von antiferromagnetischen Isolatoren zur Entwicklung neuer Spintronik-Bauelemente auszunutzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen