Photoinduzierte magnetoelektrische Spin Kontrolle in Antiferromagneten auf der femtosekunden Zeitskala

• Antragsteller: Dr. Davide Bossini
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434259239

Schreitet die Digitalisierung voran wie bisher wird von einer Verfünffachung des weltweiten Datenspeicherbedarfs bis 2025 ausgegangen. Dabei hat der Trend Daten bei Cloudanbietern zu speichern gravierende Auswirkungen: Bis 2025 werden 49% der weltweiten Daten in Datenzentren gespeichert. Die dort verwendete Technologie, die auf magnetischen Festplatten basiert, wird die Nachfrage an Speicherplatz höchsten für weitere 15 Jahre decken können. Daher ist die Entwicklung einer Technologie notwendig, die schneller und energieeffizienter ist. In diesem Zusammenhang bietet die Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen einen vielversprechenden Ansatz um magnetisch kodierte Informationen auf der femtosekunden(fs)-Zeitskala zu lesen und zu schreiben. Optische Experimente haben bereits gezeigt, dass die magnetische Ordnung in Festkörpern auf der fs-Zeitskala beeinflusst werden kann. Dies kann nicht nur ultraschnell, sondern auch sehr Energieeffizient passieren, wenn man transparente Materialien verwendet (Dielektrika).In jüngerer Zeit sind Antiferromagneten (AF), magnetisch geordnete Materialien, welche keine Nettomagnetisierung aufweisen, verstärkt in den Fokus gerückt, da sie vielversprechend für Anwendungen in der Spintronik sind. Zudem ist die Spin-Dynamik in AF verglichen mit Ferromagneten deutlich schneller. Obwohl wegweisende Untersuchungen an AF Dielektrika bereits die ultraschnelle Anregung und kohärente (i.e. Energieeffiziente) Kontrolle des AF-Ordnungsparameters L gezeigt haben, wurde das ultraschnelle Umschalten von L – ein entscheidender Schritt für die Datenspeicherung - noch nicht experimentell demonstriert. Zudem wurde die Möglichkeit Spin-Dynamik mit Ladungen zu koppeln noch nicht untersucht, obwohl dies notwendig ist, um neue magnetische Speicherkonzepte mit heutiger ladungsbasierter Technologie zu kombinieren.Unser Projekt geht genau diese offenen Fragen an. Entscheidend ist hierbei die Verwendung von magneto-elektrischen, dielektrischen AF, welche sowohl die Zeitumkehrsymmetrie als auch die Paritätssymmetrie brechen. Diese Eigenschaft ist aus den folgenden Gründen wichtig: Als erstes dreht in solchen Materialien das gleichzeitige Anschalten magnetischer und elektrischer DC-Felder L um 180°. Dieses Konzept wird hier zum ersten Mal mit dem elektrischen Feld von fs-Laserpulsen auf die ultraschnelle Zeitskala umgesetzt, was zum ultraschnellen Schreiben von Information in einem AF führen wird. Um die beiden Zustände mit gedrehtem L zu unterscheiden wird ein bereits experimentell bekannter magneto-optischer Effekt genutzt, der linear proportional zu L ist. Das Auftreten dieses Effektes ist die zweite Besonderheit von magneto-elektrischen AF. Die dritte ist die bereits theoretisch vorhergesagte Kopplung zwischen Plasmonen und magnetischer Ordnung. Wir werden davon ausgehend untersuchen, ob diese Kopplung auch auf der ultraschnellen Zeitskala auftritt, um die Kohärenz von photo-induzierter Spin-Dynamik auf Ladungen zu übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Mirko Cinchetti