Dämpfung von Spinwellen erfolgreich kompensiert

Um einzelne Bauteile etwa von Mobil­telefonen oder Computern weiter miniatu­ri­sieren zu können, gelten derzeit magnetische Wellen als viel­ver­sprechende Alternative zur Daten­über­tragung mittels elektrischer Ströme. Denn bei immer kleiner werdenden Chips stößt die elektrische Daten­über­tragung irgend­wann an ihre Grenzen, weil Elektronen viel Wärme abgeben, was wiederum die physika­lischen Abläufe stört. Hoch­frequente magnetische Wellen können sich dagegen auch in kleinsten Nano­strukturen ausbreiten und so Informationen über­tragen und verarbeiten. Als physika­lische Grundlage dient dabei der Spin der Elektronen im Träger­material. Aller­dings sind Spinwellen in der Mikro­elektronik bisher nur einge­schränkt nutzbar, bedingt durch die Dämpfung, die auf die Spinwellen einwirkt und sie schwächt.

Forscher der Uni Münster haben jetzt einen neuen Ansatz entwickelt, mit dem sich unerwünschte Dämpfungen beseitigen und Spinwellen dadurch besser einsetzen lassen. „Unsere Ergebnisse zeigen einen neuen Weg für die Anwendung von effizienten spin­ge­triebenen Bauteilen auf“, sagt Vladislav Demidov von der Uni Münster. Der neue Ansatz kann für zukünftige Entwick­lungen in der Mikro­elektronik, aber auch für die weitere Erforschung von Quanten­techno­logien und neuartigen Computer­verfahren relevant sein.

Die beste Möglichkeit, die störende Dämpfung von Spinwellen elektronisch zu kompen­sieren, ist der Spin-Hall-Effekt. Dabei werden die Elektronen in einem Spinstrom je nach Ausrichtung ihres Spins seitlich abgelenkt, was es ermöglicht, Spinwellen in magnetischen Nano­geräten effizient zu erzeugen und zu steuern. Aller­dings führen nicht­lineare Effekte in den Schwingungen dazu, dass der Spin-Hall-Effekt in der praktischen Anwendung nicht richtig greift – ein Grund, weshalb Wissen­schaftler bisher noch keine dämpfungs­freien Spinwellen verwirk­lichen konnten.

In ihrem Experiment platzierten die Wissen­schaftler der Uni Münster wenige Nano­meter dünne Magnet­platten aus Mu-Metall oder aus Kobalt und Nickel auf einer ebenfalls sehr dünnen Schicht aus Platin. An den Grenz­flächen der verschiedenen Materialien wirkten magne­tische Anisotropien. Durch das Aus­balancieren der Anisotropien der verschiedenen Schichten konnten die Forscher die ungünstige nicht­lineare Dämpfung effizient unter­drücken und dadurch kohärente Spinwellen erreichen – also Wellen, deren Geschwindig­keit und Frequenz gleich ist und die dadurch eine feste Phasen­ver­schiebung haben. Dadurch erreichten die Wissen­schaftler eine voll­ständige Dämpfungs­kompen­sation im Magnet­system, wodurch sich die Wellen räumlich ausbreiten konnten.

Die Wissenschaftler erwarten, dass ihr neuer Ansatz einen signi­fi­kanten Einfluss auf zukünftige Entwick­lungen in der Magnonik und Spintronik hat. „Unsere Ergebnisse eröffnen einen Weg für den Einsatz von Spin-Hall-Oszilla­toren, also schwingungs­fähigen mechanischen Systemen, die leistungs­fähige Mikro­wellen­signale erzeugen können“, sagt Boris Divinskiy von der Uni Münster.

WWU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  B. Divinskiy et al.: Controlled nonlinear magnetic damping in spin-Hall nano-devices, Nat. Commun. 10, 5211 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-13246-7
• Nichtlineare magnetische Dynamik (S.O. Demokritov), Institut für angewandte Physik, Westfälische Wilhelms-Universität Münster