Quantisierung und nichtlineare Streuung von Spinwellen in nicht-reziproken Materialien

• Antragsteller: Dr. Helmut Schultheiß, seit 8/2023
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 464991070

Spinwellen sind die kollektiven Anregungen des Spin-Gitters in magnetisch geordneten Materialien. Dabei präzedieren die magnetische Momente um die Achse, die durch das interne Magnetfeld gegeben ist. Die Kopplung der magnetischen Momente durch Dipol- und Austausch-Wechselwirkung führt zu einer kohärenten Ausbreitung von Spinwellen durch den Festkörper. Die Präzession der einzelnen Spins hat einen wohldefinierten Umlaufsinn bestimmt durch das gyromagnetische Verhältnis. Dieser Umlaufsinn ist konstant und ändert sich bei einer Umkehrung der Ausbreitungsrichtung der Spinwelle nicht. Durch diesen Umstand haben Spinwellen für bestimmte Konfigurationen eine wohldefinierte Chiralität, die besonders ausgeprägt ist für eine Ausbreitung der Spinwelle senkrecht zur Ruhelage der Magnetisierung.Ziel dieses Proposals ist es den Einfluss dieser chiralen Natur von Spinwellen in Materialien zu untersuchen, wo die Chiralität zu einer nicht-reziproken Spinwellen-Dispersionsrelation führt. Im Fokus stehen dabei die Auswirkungen auf die Quantisierung in Mikro- und Nanostrukturen sowie auf nichtlineare Streuung von Spinwellen. Das nicht-reziproke Verhalten von Spinwellen führt zu einer Frequenzverschiebung bei Inversion der Ausbreitungsrichtung und wurde in den letzten Jahren zur Quantifizierung der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung an Grenzflächen (iDMI) genutzt. Bisher waren allerdings die Auswirkungen der gebrochenen Inversionssymmetrie auf nichtlineare Transportphänomene und die Quantisierung von Spinwellen nicht experimentell zugänglich, da iDMI als Grenzflächeneffekt nur in magnetischen Filmen geringer Dicke relevant ist. Aber gerade dort ist die Dämpfung von Spinwellen besonders groß.Der hier vorgeschlagene Ansatz ist daher, Spinwellen in ferromagnetischen Doppellagen zu untersuchen, wo die Kopplung der Spinwellen zwischen den einzelnen Lagen durch die dynamischen magnetischen Dipolfelder ebenfalls zu einer nicht-reziproken Dispersionsrelation führt. Dabei sind die Frequenzverschiebungen nicht nur um zwei Größenordnungen stärker als bei den auf iDMI basierten Systemen, sie skaliert auch proportional zur Schichtdicke. Damit geht die Möglichkeit einher, dickere Filme zu verwenden und dadurch, bedingt durch eine höhere Gruppengeschwindigkeit, auch eine geringere räumliche Dämpfung der Spinwellen zu realisieren. Damit werden zum ersten Mal Experimente zum nichtlinearen Transport und der Quantisierung von Spinwellen in nicht-reziproken Systemen möglich.Die Ziele des Projektes sind: (i) Maximierung des nicht-reziproken Verhaltens durch systematische Variation der Filmdicken und Materialien in magnetischen Doppellagen; (ii) Quantifizierung des Spinwellenspektrums und der Dynamik des räumlichen Profils in Mikro- und Nanostrukturen; und (iii) Analyse der nichtlinearen Wechselwirkung von Spinwellen in Systemen mit gebrochener Inversionssymmetrie der Dispersionsrelation.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Olga Gladii, bis 7/2023