16.11.2020 • MagnetismusNanophysik

Direkte Abbildung magnetischer Wellen

Neuen Typ von MRT-Scanner kann Spin-Wellen in ultradünnen Magneten abbilden

MRT-Scanner ermöglichen einen nicht­invasiven Blick in den mensch­lichen Körper. Der Scanner erkennt die Magnet­felder, die von den Atomen im Inneren abgestrahlt werden. So kann der Gesund­heits­zustand von Organen selbst unter dicken Gewebe­schichten unter­sucht werden. Auch viele andere Bereiche könnten von einer nicht­invasiven Abbildungs­methode profi­tieren. Besonders nützlich wäre sie in der Nano­techno­logie und der Chip­industrie. Könnten Entwickler Signale in Computer­chips und anderen Nano­geräten sehen, wäre es einfacher, deren Leistung zu optimieren und ihre Wärme­produk­tion zu redu­zieren. Die Milli­meter­auf­lösung der konven­tio­nellen MRT reicht jedoch nicht aus, um Geräte im Chip-Maßstab zu unter­suchen. Jetzt hat ein inter­natio­nales Forscher­team einen neuen Typ von MRT-Scanner entwickelt, der Spin-Wellen in ultra­dünnen Magneten im Submikro­meter­bereich abbilden kann. Im Gegen­satz zu elek­trischen Strömen erzeugen diese Wellen wenig Wärme, was sie zu viel­ver­sprechenden Signal­trägern für zukünftige Anwendungen im Bereich der Informa­tions- und Kommuni­ka­tions­technik macht.

 

Abb.: Ein Diamantchip mit einer Schicht Nitrogen-Vacancy-Zentren, die zwanzig...
Abb.: Ein Diamantchip mit einer Schicht Nitrogen-Vacancy-Zentren, die zwanzig Nano­meter unter seiner Ober­fläche implan­tiert wurden, wird auf einen ultra­dünnen magne­tischen Film gelegt. Die NV-Zentren ent­decken die Magnet­felder der an­ge­regten Spin­wellen. (Bild: SCIXEL / TU Delft)

Das neue MRT-System macht sich einen speziellen Gitter­defekt in der Kristall­struktur von Diamanten zunutze. Dieser Defekt – ein Stick­stoff-Vakanz-Zentrum – besteht aus einem Stick­stoff­atom, das neben einer leeren Stelle im Kohlen­stoff­gitter des Diamanten sitzt. „Ein solches NV-Zentrum ist im Wesent­lichen ein atom­großer Magnet, der extrem empfind­lich auf Magnet­felder reagiert“, erklärt Toeno Van der Sar von der TU Delft. „Als solche ermöglichen NV-Zentren eine hoch­auf­gelöste Abbildung der magnetischen Struktur einer Probe.“

Spinwellen sind für das Verhalten von Magneten von zentraler Bedeutung. Sie bieten ein großes Poten­zial als Informa­tions­träger, da sie wenig Wärme erzeugen. Ihre Wellen­natur ermöglicht es, logische Vorrich­tungen zu bauen, die mit Hilfe von Wellen­inter­ferenz Rechen­aufgaben ausführen. Die Fähig­keit, die Wellen zu sehen, ist jedoch entscheidend für den Entwurf von Spinwellen-Geräten.

„Um diese Wellen abzubilden, verwendeten wir einen Diamantchip, in dem wir eine Schicht von NV-Zentren erzeugten“, so Van der Sar. „Wir legten diesen Chip auf einen dünnen Magnet­film, in dem wir mit Hilfe von Elektroden und Mikro­wellen­strömen Spinwellen anregten. Die NV-Zentren nehmen die von den Spinwellen erzeugten Magnet­felder auf, was eine hoch­auf­lösende Abbildung der Spinwellen ermöglicht.“

Die Theoretiker des Teams erklären die experi­men­tellen Beobach­tungen in Bezug auf die chirale Spin­wellen­anregung und die Dipol­feld­kopplung an die Sensorspins. Die Ergebnisse sind der bislang direkteste Beweis für die Chiralität von Spinwellen, die das Verständnis der Dynamik von Spinwellen vertiefen. Chiralität ist eine Funktio­nalität, die bisher in der Spintronik noch wenig eingesetzt wurde, die aber die Grundlage für eine neue Generation spin­basierter Geräte aus konven­tio­nellen Materialien sein könnte.

Die Forscher haben gezeigt, dass Spinwellen mit ihrer Methode selbst durch undurch­sichtige Materialien wie die Metall­ver­drahtung auf einem Chip abgebildet werden können. Die Technik ist sogar empfindlich genug, um Spinwellen in Magneten nach­zu­weisen, die nur ein einziges Atom dick sind. Nach Ansicht von Van der Sar wird dieser Ansatz einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von neuartigen Techno­logien leisten: „Da ultra­dünne Magnete zur Her­stellung von Logik­bau­steinen in kleinstem Maßstab heran­gezogen werden, kann unsere bild­gebende Technik diese Entwicklung unter­stützen.“

MPSD / RK

Weitere Infos

 

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Jobbörse

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin
Eine Kooperation von Wiley und der DPG

Physik Jobbörse in Freiburg und Berlin

Freiburg, 13.-14.03.2024, Berlin, 19.-21.03.2024
Die Präsentationen dauern jeweils eine Stunde, am Ende der Veranstaltung ist Zeit für Q&A eingeplant.

Meist gelesen

Photo
14.09.2023 • NachrichtForschung

Knick im Jet

Verbogener Jet aus supermassereichem schwarzem Loch vermutlich auf Präzession der Jet-Quelle zurückzuführen.

Themen