Spintronische THz-Emitter mit uniaxialer und unidirektionaler magnetischer Anisotropie für magnetfeldfreien Betrieb und elektrische THz-Phasen-Umschaltung

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Meinert
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 513154775

Spintronische THz-Emitter (STE), die durch Femtosekunden-Laserpulse angetrieben werden, liefern lückenlose, ultrabreitbandige THz-Strahlung mit bis zu 30 THz. Sie können als unstrukturierte, großflächige Strahler mit Ti:Sa-Oszillatoren hoher Leistung betrieben werden. Für kostengünstige und kompakte Aufbauten sind antennengekoppelte Emitter, die von fokussierten Faserlasern angetrieben werden, von Vorteil. Sie ähneln geometrisch weitgehend den herkömmlichen photoleitenden (Auston) Schaltern als Quellen für THz-Strahlung. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Auston-Schalter mit einer Spannung vorgespannt werden, während die STEs kein elektrisches Feld benötigen, jedoch ist ein Magnetfeld erforderlich, um die Ausrichtung der Magnetisierung des ferromagnetischen Films zu stabilisieren. Bei miniaturisierten Aufbauten ist dies ein klarer Nachteil. Außerdem fehlt den STEs derzeit die Möglichkeit der Phasenumschaltung, um das detektierte Signal mit einer Lock-in-Technik um 6 dB zu verstärken, was mit Auston-Schaltern durch Umschalten der Vorspannung leicht möglich ist. In diesem Antrag beabsichtigen wir, einen STE-Stapel mit magnetischer Anisotropie zu entwickeln, der die Anwendung eines Magnetfeldes überflüssig macht. Wir werden zwei Ansätze verfolgen: Einerseits werden wir magnetische Filme mit einachsiger magnetischer Anisotropie verwenden. Zum anderen werden wir die unidirektionale Anisotropie mit Exchange Bias untersuchen. Der zweite Ansatz zielt auf Emitter mit einer einfachen, festen Ausrichtung der Magnetisierung und damit der THz-Polarisation. Im Gegensatz dazu wird die uniaxiale Anisotropie als ermöglichende Technologie für mikrostrukturierte Emitter mit elektrisch schaltbarer Magnetisierung über Spin-Orbit-Torque dienen. Dabei werden wir einen antennengekoppelten STE mit elektrischer Phasenumkehr für Anwendungen in Lock-in-Homodyne-Messsystemen entwickeln und den Funktionsumfang der neu entwickelten STEs an den Standard herkömmlicher Auston-Schalter heranführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen