25.11.2022

Material für Magnonen

Antiferromagnete mit verkippten magnetischen Momenten macht Transport von Spinwellen möglich.

Kleiner, schneller, leistungsfähiger: Die Ansprüche an mikro­elektronische Geräte sind hoch und steigen immer weiter. Basieren Chips, Prozessoren und Co. jedoch auf elektrischem Strom, sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt. Physiker arbeiten daher an alternativen Möglichkeiten, Informationen zu transportieren – etwa über Spinwellen, auch Magnonen genannt. Ihr Vorteil: Sie haben nur sehr geringe Energieverluste und breiten sich daher über weite Strecken aus. Nun bilden sich die Spinwellen nicht in jedem beliebigen Material aus, sondern brauchen dafür bestimmte Eigenschaften. Diese bietet beispielsweise Hämatit, der Haupt­bestandteil von Rost.

 

Abb.: Mikroskopische magnetische Momente in Anti­ferro­magneten haben ihren...
Abb.: Mikroskopische magnetische Momente in Anti­ferro­magneten haben ihren Nord- und Südpol abwechselnd – im Gegensatz zu denen in Ferro­magneten. (Bild: L. Baldrati, JGU)

Eine gänzlich neue Materialklasse für den Transport der Spinwellen konnten Physiker der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) nun in einem EU-Projekt gemeinsam mit der Université Paris-Saclay, der Shanghai University und der Universität Grenoble Alpes erschließen: Antiferromagnete mit verkippten magnetischen Momenten. „Diese Materialien haben das Potenzial, die Rechen­geschwindigkeit im Vergleich zu bestehenden Geräten deutlich zu erhöhen und gleichzeitig die Abwärme stark zu reduzieren“, sagt Felix Fuhrmann, Wissenschaftler an der JGU. Denn: In den Anti­ferro­magneten lassen sich die Spinwellen und damit die Informationen, die in ihnen gespeichert sind, über weite Strecken transportieren – rund 500 Nanometer Strecke sind möglich.

Zwar mag das wenig klingen, doch sind beispielsweise Transistoren heutzutage in den Chips meist nur etwa sieben Nanometer groß, die Reichweite der Spinwellen ist also deutlich größer als die benötigte Strecke. „Der Informations­transport über große Entfernungen ist entscheidend für eine Anwendung in mikro­elektronischen Geräten. Mit den Anti­ferro­magneten haben wir eine Material­klasse gefunden, die diese wichtige Eigenschaft bietet – und damit einen großen Pool an Materialien eröffnet, die für Geräte nutzbar gemacht werden können“, bestätigt Fuhrmann.

Untersucht haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Antiferro­magneten Yttrium-Eisen-Oxid, YFeO3. Da dessen Kristall­struktur sich grundlegend von der des etablierten Hämatits unterscheidet, stellte sich den Forschern zunächst die Frage: Können sich dennoch Spinwellen bilden und ausbreiten? Definitiv, wie das Forscherteam herausfand. Möglich machte das ein kleiner Trick: Die Forscher legten ein äußeres Magnetfeld an das Material an. „Magnonen sind eine kollektive Anregung der magnetischen Momente in einem magnetisch geordneten Kristall – sie lassen sich daher durch Magnet­felder manipulieren, wie wir erfolgreich nachweisen konnten“, sagt Fuhrmann.

JGU / DE

 

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