Erster Film von Spinwellen im Nano-Oszillator
Ein schwedisch-deutsches Team konnte an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Innern eines Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden.
Spin-Hall-Nano-Oszillatoren (SHNOs) gehören zu den vielseitigsten Bauelementen der Spintronik: Ein durch eine nanometergroße Verengung geleiteter Gleichstrom versetzt die lokale Magnetisierung in eine gleichmäßige Präzession und wandelt ein Gleichstrom-Eingangssignal in ein Hochfrequenz-Ausgangssignal um, das abstimmbar ist. SHNOs sind einfach herzustellen und kompatibel mit CMOS-Bauelementen, außerdem können sie in großen Arrays miteinander synchronisiert werden. Deshalb gelten sie als Modellplattform für abstimmbare Mikrowellenquellen und für neuromorphes, wellenbasiertes Rechnen. Was jedoch tatsächlich im Innern eines einzelnen Oszillators geschieht, war bisher noch nie direkt beobachtet worden – die Dynamik spielt sich auf Nanometer-Längenskalen und innerhalb von Bruchteilen einer Nanosekunde ab.
Das Team an der Universität Göteborg fertigte SHNOs auf Basis ultradünner CoFeB-Schichten an und charakterisierte deren Mikrowellendynamik. Um einen Blick ins Innere der Bauelemente zu werfen, arbeitete die Gruppe mit dem Team am HZB sowie mit einer Gruppe vom MPI für Intelligente Systeme in Stuttgart zusammen. Dabei setzten sie das Röntgen-Transmissionsmikroskop MAXYMUS, das am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin betrieben wird, wie ein Stroboskop ein: Alle zehn Pikosekunden entstanden Bilder, jeweils mit räumlichen Auflösungen von einigen zehn Nanometern. Die Röntgenfilme zeigen, dass sich die Eigenschwingungen der Spinwellen an den Rändern der Nanoverschmälerung konzentrieren – allerdings an einem Rand deutlich stärker als am anderen – und dass sich die emittierten Spinwellen stark anisotrop ausbreiten und senkrecht zum angelegten Magnetfeld fortbewegen.
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Mikromagnetische Simulationen konnten diese Beobachtungen erst reproduzieren, nachdem drei Effekte berücksichtigt wurden, die üblicherweise vernachlässigt werden. Erstens ist die magnetische Schicht nicht vollkommen gleichmäßig, sondern besteht aus winzigen Kristallkörnern, deren Grenzen die Spinwellen beeinflussen. Zweitens schwächt die Nanofabrikation die senkrechte magnetische Anisotropie, was die Ursprungspunkte der Wellen verschiebt. Und drittens bewirkt ein subtiler Grenzflächeneffekt, die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung, dass Spinwellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, sich unterschiedlich verhalten, was die Einseitigkeit der Emission erklärt. Erst unter Berücksichtigung aller drei Faktoren stimmten Simulation und Experiment überein – ein Zeichen dafür, dass die physikalischen Modelle verfeinert werden müssen, die zur Konstruktion von SHNOs und deren synchronisierten Netzwerken verwendet werden.
Die Messungen lieferten zudem eine unerwartete Nebenbeobachtung: Bei längerer Bestrahlung mit intensiver weicher Röntgenstrahlung veränderten sich die magnetischen Eigenschaften der Proben dauerhaft. Dieser Effekt betrifft die hier untersuchte spezielle Materialkombination – eine ultradünne, mit MgO bedeckte CoFeB-Schicht – und nicht magnetische Materialien im Allgemeinen. Doch gerade diese CoFeB/MgO-Grenzfläche ist ein Standardbestandteil heutiger spintronischer Bauelemente, die häufig für den Einsatz in Umgebungen mit hoher Strahlenbelastung wie Satelliten und anderen Raumfahrzeugen in Betracht gezogen werden.
Wie solche Bauelemente auf hohe Strahlungsdosen reagieren, verdient daher eine genauere Untersuchung. „Nur durch die direkte Beobachtung der Spinwellen konnten wir verstehen, welche Faktoren diese Oszillatoren tatsächlich bestimmen. Effekte wie Korngrenzen und die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung erwiesen sich dabei als wesentlich“, sagt Sebastian Wintz, der die Messungen in Berlin leitete.
„Wir wissen, dass sich SHNOs in sehr großen Netzwerken synchronisieren können. Diese direkte Abbildung gibt uns eine deutlich solidere mikroskopische Grundlage, um zu verstehen und zu steuern, wie Spinwellen die Kopplung und die Phasenbeziehungen innerhalb dieser Netzwerke bestimmen“, fügt Johan Åkerman hinzu, der das Team an der Universität Göteborg leitet. [HZB / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
V. H. González, F. Schulz, N. Behera, et al., Direct Observation of Propagating Spin Waves in a Spin Hall Nano-Oscillator, Adv. Mater. 38 (52), e7454738, 16. September 2026; DOI: 10.1002/adma.74547 - Applied Spintronics, Magnonics, Nanomagnetism, Neuromorphic Computing, and Ising Machines (Bengt Johan Åkerman), Göteborgs universitet / Tōhoku daigaku 東北大学, Sendai
- MAXYMUS – Magnetic X-ray Microscope with UHV Spectroscopy / UE46 (Markus Weigand, Sebastian Wintz, Simone Raoux), Helmholtz-Zentrum Berlin in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart
