FALCON: Nicht-dissipative Kontrolle der Ausbreitung und Ladungsumwandlung von THz antiferromagnetischen Magnonen auf der Femtosekundenskala

• Antragsteller: Dr. Davide Bossini
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431136326

Die moderne Datenspeicherung und -verarbeitung haben einen Engpass erreicht, sodass der rasante Anstieg an benötigten Ressourcen als nicht nachhaltig gesehen wird. Alternative Strategien, um logische Operationen auszuführen und Informationen schneller und energieeffizienter zu übertragen, müssen noch entwickelt werden. Eine sehr attraktive Möglichkeit bieten hierfür Spinwellen – die kollektiven Anregungen eines magnetischen Materials. Durch Benutzung ihrer wohldefinierten Phase, ermöglichen Spinwellen die Ausführung logischer Operationen mit vektoriellen (Wellen) anstatt mit skalaren (Ladung) Größen, was automatisch eine größere Effizienz im Hinblick auf Berechnungsgeschwindigkeit und Energieverbrauch mit sich bringt. Die Verwendung ultrakurzer (d.h. Femtosekunden – fs-) Laserpulse kann bezüglich neuartiger spinwellenbasierten Technologien entscheidend sein. Tatsächlich treten im Material weder Joule-Erwärmung noch massive Laser-Heizung auf, wenn die Photonenenergie der anregenden Laserquelle kleiner ist als die Bandlücke der verwendeten Halbleiter und Isolatoren. Aus diesem Grund beschäftigt sich FALCON mit Spinwellen antiferromagnetischer (AF) Dielektrika. Zusätzlich zur Minimierung der Erwärmung, bietet die AF Ordnung von Natur aus hochfrequente Spinwellen, die sogar ins THz Regime reichen. Pionieruntersuchungen haben gezeigt, dass auf extremen Zeitskalen lokal Spinwellen mit vernachlässigbaren Verlusten erzeugt und gesteuert werden können. Trotz dieser sehr ermutigenden Ergebnisse, bleiben in diesem Gebiet noch fundamentale Fragen unbeantwortet. Zum einen ist es noch unklar, wie weit solche Spinwellen sich im Raum ausbreiten können, was die Kernfrage von Informationsübertragung darstellt. Zum anderen muss noch erwiesen werden, dass es möglich ist ein magnetisches Signal in ein Ladungssignal umzuwandeln, was zur Integration in die heutige ladungsbasierte Technologie notwendig ist. Ziel von FALCON ist es, diese Lücken in den grundlegenden Kenntnissen über die Ausbreitungsdynamik von Spinwellen und deren Umwandlung in elektrische Signale in AF Dielektrika zu füllen. Dieses ehrgeizige Ziel erfordert zunächst die Entwicklung eines neuen magneto-optischen Mikroskops, das in der Lage ist, die Spinwellendynamik in fs-Zeit- und mit nm-Raumauflösung zu erfassen. Sobald die optische Erzeugung und Detektion der Ausbreitungsdynamik von Spinwellen etabliert ist, soll die Kontrolle eines solchen Signals demonstriert werden. Nicht nur Amplitude und Phase der Spinwellen werden kontrolliert, sondern auch die Ausbreitungsrichtung und somit ein Wellenleitkonzept für Spinwellen in AF Materialien entwickelt. Schließlich wird ein neuartiges experimentelles Verfahren entwickelt, das die optische Anregung mit dem Nachweis von photoemittierten Elektronen verbindet. Dieser Ansatz wird es ermöglichen durch Messungen mit fs Zeit-, μm Raum- und sogar Spin-Auflösung den Einfluss von propagierenden Spinwellen auf die elektronische Bandstruktur zu enträtseln.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Laser system
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser