FÜHREN, FORMEN UND VERSTÄRKEN VON SIGNALEN IN STARK GEKOPPELTEN ELEKTROMAGNETISCH-MAGNONISCHEN SCHALTKREISEN

• Antragsteller: Professor Dr. Jamal Berakdar
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465098690

Zukünftige Fortschritte bei der drahtlosen Kommunikation erfordern die Erhöhung der Bandbreite, die Verringerung von Energieverbrauch und die Nanointegration. Dafür werden Elemente aus der integrierten Photonik, Mikrowellentechnologie, Materialwissenschaften, Nanophysik und magnetbasierte Informationsverarbeitung herangezogen, um das Potenzial von Magnonen zu testen. Magnonen oder Spinwellen sind niederenergetische Anregungen der magnetischen Ordnung und werden für Signalübertragung und logische Operationen in einem breiten Frequenzbereich von GHz bis THz eingesetzt. Deren Wellenlänge kann eine Größenordnung kürzer als elektromagnetische Wellen der gleichen Frequenz und sind somit für Miniaturisierung geeignet. Nachteilig ist die schwach Koppelung sowie die Umwandlung von magnetischen in photonischen Signalen aufgrund der unterschiedlichen Dispersionen. Bestehende Ansätze zur Kopplung elektromagnetischer Wellen an Spinwellen sind hauptsächlich induktiv; meist mittels Mikrostreifenleitungen und koplanare Wellenleiter, deren Empfindlichkeit, Skalierbarkeit und Energie Effizienz erheblich verbessert werden muss, um die Anforderungen der Informations- und Kommunikationstechnologie zu erfüllen. Intrinsische magnetische Wechselwirkungen hindern eine präzise Steuerung der Ausbreitung von magnonischen Signalen in Wellenleitern wie in Photonik. Ziel des Theorieprojektes ist, neue Mechanismen und Implementierungskonzepte zur Verbesserung der Photon-Magnon-Kopplung zu entwerfen und zu implementieren. Das Ergebnis sind neuartige elektromagnetisch-magnonische Schaltkreise für die Verwendung in der Mikrowellen-Technik, Spintronik, und Sensorik. Konzepte für gekoppelte Magnonische-Photonische Bauelemente für die Datenverarbeitung und Kommunikation werden für realistische Materialkomposition und zugängliche Strukturierung entworfen. Analytische Modelle sollen die Grundmechanismen und fundamentalen Beschränkungen zur Magnon-Photon-Signalumwandlung herausarbeiten. Für die externe Kontrolle der Signale dienen elektrische Spannungen, statische magnetfelder sowie Strompulse. Konzepte für logische Operationen basierend auf magnonisch-photonische Schaltkreise werden entworfen und auf Effizienz and Zuverlässigkeit evaluiert. Die entwickelten analytische und numerische Werkzeugen werden für die Konstruktion von resonanten elektromagnetisch-magnonische Mikrowellenbauelementen mit einem Mikrowellenfeld eingesetzt. Insbesondere werden Ringresonator-basierte Strukturen betrachtet und hinsichtlich der nichtlinearer Spin-Dynamik untersucht. Die lokale Magnetisierungsanregungen zur Steuerung von Mikrowellenschaltungen wird herangezogen. Als Materialkomposition werden ferroelektrisch-dielektrisch-magnonische Strukturen sowie supraleitende Materialien und synthetische Antiferromagneten verwenden. Ziel ist die Erhöhung der Betriebsfrequenz sowie die Verstärkung der photonischen Kopplung an Spinwellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Maciej Krawczyk