22.12.2020

Anregungen in Antiferromagneten transportieren

Pseudospindynamik in einem antiferromagnetischen Isolator bestätigt Vorhersagen über den Magnonentransport.

Forscher der Technischen Universität München (TUM), des Walther-Meißner-Instituts für Tief­temperatur­forschung (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften und der Technisch-Natur­wissenschaftlichen Universität Norwegens (NTNU) in Trondheim haben einen Effekt entdeckt, der einzigartig für den Transport von antiferro­magnetischen Anregungen ist. Er eröffnet neue Möglichkeiten zur Informations­verarbeitung mit antiferro­magnetischen Materialien.

 

Abb.: In einer dünnen Hematit­schicht lässt sich eine Störung der...
Abb.: In einer dünnen Hematit­schicht lässt sich eine Störung der magnetischen Ordnung erzeugen und bewegen, um so Informationen zu übertragen. (Bild: C. Hohmann / MCQST)

In der heutigen Informationstechnik wird der Spin des Elektrons und das damit verbundene magnetische Moment benutzt, um Informationen auf magnetischen Speichern, etwa Festplatten und Magnetbändern, festzuhalten und auszulesen. Sowohl für das Speichermedium als auch für die Leseköpfe werden ferro­magnetische Materialien verwendet. In ihnen richten sich alle magnetischen Momente parallel aus. In Antiferromagneten dagegen richten sich benachbarte Momente antiparallel zueinander aus.

Obwohl diese Systeme von außen betrachtet nicht magnetisch wirken, sind sie für die aktuelle Forschung sehr interessant, da sie das Potential für eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen externe Magnetfelder und für schnellere Informations­verarbeitung besitzen. Dies macht sie zu den aufstrebenden Stars für Anwendungen im Bereich der magnetischen Daten­speicherung und alternativer Daten­verarbeitung.

Eine wichtige Frage in diesem Zusammenhang ist, ob und wie Information in Antiferro­magneten übertragen und detektiert werden kann. Ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM), des Walther-Meißner-Instituts für Tieftemperaturforschung (WMI) der BAdW und der Technisch-Natur­wissenschaftlichen Universität Norwegens (NTNU) in Trondheim hat sich dieser Frage angenommen und führte Untersuchungen an dem antiferro­magnetischen Isolator Hematit durch.

In Hematit sind keine beweglichen Ladungsträger vorhanden. Es eignet sich daher hervorragend als Testsystem für die Untersuchung neuartiger Anwendungen, die das Ziel haben, durch den elektrischen Widerstand verursachte Verluste zu vermeiden. Die Wissenschaftler entdeckten einen Effekt, der einzigartig für den Transport von antiferro­magnetischen Anregungen ist und dadurch neue Möglichkeiten zur Informations­verarbeitung mit Antiferromagneten eröffnet.

Matthias Althammer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am WMI, leistete den Hauptteil der Arbeiten. Den neu entdeckten Effekt beschreibt er folgendermaßen: „In der antiferromagnetischen Phase sind benachbarte Spins antiparallel zueinander angeordnet. In diesem Zustand existieren quantisierte Anregungen, die man als Magnonen bezeichnet. Diese können sich in dem Material bewegen und Information mittels ihres Spins übertragen.“

Durch die zwei antiparallel gekoppelten Spin-Zustände in den Antiferro­magneten sind diese Anregungen sehr komplex. Jedoch ist es möglich, die Eigenschaften dieser Anregungen durch einen effektiven Spin zu beschreiben – den Pseudospin. „In unseren Experimenten konnten wir nun zeigen“, sagt Althammer, „dass wir diesen Pseudospin und dessen Fortbewegung durch ein Magnetfeld kontrollieren können.“ Akashdeep Kamra von der NTNU in Trondheim ergänzt: „Die Abbildung der Anregungen eines Antiferromagneten auf einen Pseudospin eröffnet ein tieferes Verständnis des Spintransports und ist ein bedeutendes Hilfsmittel zu dessen Beschreibung.“ Dies war bereits eine wichtige Grundlage für die Untersuchung von Transport­effekten in elektronischen Systemen.

„In unserem Fall können wir damit die Dynamik des Systems wesentlich einfacher beschreiben und trotzdem ein vollständig quantitatives Modell für das System erhalten“, sagt Kamra. „Der springende Punkt ist, dass unsere experimentelle Arbeit zum ersten Mal die Richtigkeit des Pseudospin­konzepts in Antiferro­magneten nachweist, ein Konzept, das eng mit den Grundlagen der Quantenmechanik verbunden ist.“ Dieser erste experimentelle Nachweis von Pseudospin­dynamik in einem antiferro­magnetischen Isolator bestätigt nicht nur theoretische Vorhersagen über den Magnonentransport in Antiferromagneten, sondern erschließt auch eine experimentelle Basis, um weitere an die Elektronik angelehnte Effekte zu untersuchen.

„Es könnte möglich sein, neue faszinierende Effekte zu realisieren, zum Beispiel das magnonische Analogon zu einem topologischen Isolator in antiferro­magnetischen Materialien“, hebt Rudolf Gross, Direktor des WMI, Professor an der TU München und Sprecher des Exzellenzclusters „Munich Center for Quantum Science and Technology“ hervor. „Unsere Arbeit eröffnet eine neue, spannende Perspektive für Quanten­anwendungen basierend auf Magnonen in Antiferromagneten.“

TUM / DE

 

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