Pumpen von chiralen Phononen

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Gönnenwein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541503763

In diesem Projekt sollen die Erzeugung, der Transport, sowie die elektrische Detektion von Drehimpulsströmen, die von akustischen Phononen bei GHz-Frequenzen getragen werden, experimentell untersucht werden. Die Phononenströme sollen dazu mit Hilfe des sogenannten Phononenpumpens erzeugt werden. Dieser Mechanismus wurde erst vor kurzem theoretisch vorhergesagt und experimentell nachgewiesen. Beim Phononenpumpen pflanzen sich die elastischen Gitterverzerrungen, die durch eine in einem magnetischen Dünnfilm resonant präzedierende Magnetisierung erzeugt werden, in einen angrenzenden, typischerweise nichtmagnetischen Kristall fort. Das Phononenpumpen stellt somit einen Mechanismus für die Relaxation der Magnetisierungsdynamik dar, der die viskose (Gilbertsche) Magnetisierungsdämpfung vergrößert. In Magnet/Kristall-Heterostrukturen mit planparallelen Oberflächen manifestiert sich das Phononenpumpen darüber hinaus als eine Reihe von stehenden akustischen Wellen, die der magnetischen Resonanz überlagert sind. Dies ermöglicht den Nachweis der gepumpten Phononen durch hochauflösende Breitband-Magnetresonanzexperimente. Da die Magnetisierungspräzession eine wohldefinierte Händigkeit hat, wird beim Phononenpumpen ein Fluss chiraler Phononen über die Magnet-/Kristall-Grenzfläche erwartet. Allerdings wird der Drehimpuls, den dieser Phononenstrom mit sich führen könnte, aktuell kontrovers diskutiert. Insbesondere ist der Landesche g-Faktor bzw. die Größe des magnetischen Moments, das mit den gepumpten chiralen Phononen verbunden ist, nicht etabliert. Im Rahmen des hier beantragten Projekts soll daher der Phononenpumpprozess selbst sowie die Ausbreitung der gepumpten chiralen Phononen in verschiedenen kristallinen Materialien systematisch untersucht werden. Zudem wollen wir Verfahren zum elektrischen Nachweis von chiralen Phononenströmen bzw. ihrer magnetischen Drehimpulseigenschaften entwickeln. Dazu wollen wir zunächst etablieren, welche Materialkombinationen und experimentellen Geometrien sich am besten für das Pumpen chiraler Phononen in nichtmagnetische sowie in magnetische Einkristalle eignen. Zudem wollen wir erforschen, ob und wie Spin-Hall-Physik einen elektrischen Nachweis chiraler Phononenströme ermöglicht, und welche Längen- und Zeitskalen für deren Ausbreitung in Kristallen charakteristisch sind. Schließlich wollen wir Doppelbrechungseffekte nutzen, um phasenverschiebende Elemente für kohärente Phononenströme zu realisieren. Um diese Ziele zu erreichen, ist eine enge Zusammenarbeit mit anderen Projekten innerhalb der Forschungsgruppe geplant. Diese Kooperationen werden nicht nur den Zugang zu qualitativ unterschiedlichen Arten von Magnet/Einkristall-Proben eröffnen, sondern auch die Analyse, die theoretische Modellierung und den Vergleich unserer Ergebnisse für chirale Phononen im GHz-Frequenzbereich mit den Eigenschaften von chiralen Phononen bei viel höheren Frequenzen oder viel kleineren Längenskalen ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5844: Chirale Phononen für die Spintronik_ChiPS