Präzise elektrische Steuerung magnetischer Signale

Die Eigenschaften von künstlich herge­stellten Magneten lassen sich mit Hilfe von Strom verändern und steuern. Das legen Analysen und Simula­tionen von Forschern der Martin-Luther-Universität Halle-Witten­berg und der Central South University in China nahe. Daraus könnten sich neue, umwelt­schonende Konzepte zur effi­zienten Daten­über­tragung und ‑verarbeitung ergeben.

Magnete kommen immer dann zum Einsatz, wenn große Daten­mengen gespeichert werden sollen. Gleich­zeitig können sie zur Signal­über­tragung und -bearbeitung dienen, zum Beispiel in Bauteilen. Sollen diese Daten oder Signale verändert werden, müssen externe Magnet­felder auf die Speicher einwirken. Das hat einige Nachteile. „Die Erzeugung von Magnet­feldern, zum Beispiel mit Hilfe einer strom­durch­flossenen Spule, benötigt viel Energie und ist zudem relativ langsam“, sagt Jamal Berakdar von der Uni Halle. Abhilfe könnten elektrische Felder schaffen. „Aller­dings reagieren Magnete eigentlich nur sehr schwach auf elektrische Felder, weshalb sich magnetisch basierte Daten kaum durch elektrische Spannung wirklich effizient steuern lassen", so der Forscher.

Das Team aus Deutschland und China suchte deshalb nach einem neuen Konzept, um die Reaktion von Magnetismus auf elektrische Felder zu verstärken. „Wir wollten heraus­finden, ob aufein­ander gestapelte magnetische Schichten fundamental anders auf elektrische Felder reagieren“, erklärt Berakdar. Die Idee: Die Schichten dienen dann als Daten­leiter für magnetisch basierte Signale. Fügt man zwischen zwei Schichten eine unter Spannung stehende Metall­schicht ein, zum Beispiel aus Platin, so führt der darin fließende Strom dazu, dass das magnetische Signal in einer Schicht gedämpft aber in der anderen verstärkt wird.

Mit Hilfe komplexer Analysen und Simula­tionen konnte das Team zeigen: Dieser Mechanismus kann durch eine Anpassung der Spannung genau kontrol­liert werden und erlaubt in der Tat eine präzise und effektive elektrische Steuerung der magnetischen Signale. Zudem ist er auf der Nano­ebene realisierbar, was ihn für nano­elektro­nische Anwendungen interessant macht.

Die Forscher gehen in ihrer Arbeit sogar noch einen Schritt weiter: Sie konnten zeigen, dass die neu entworfene Struktur auch auf Licht oder allgemeiner auf elektro­magnetische Wellen reagiert. Das ist wichtig, wenn man die Ausbreitung von elektro­magnetischen Wellen durch magnetische Schichten steuern oder diese Wellen zur Kontrolle von magnetischen Signalen einsetzen möchte. „Ein weiteres Merkmal unseres neuen Konzepts ist es, dass dieser Mechanismus für viele Material­klassen funktioniert, wie Simula­tionen unter Real­bedingung belegen“, sagt Berakdar. Die Erkennt­nisse könnten so dabei helfen, energie­sparende und effi­ziente Lösungen für die Daten­über­tragung und -verarbeitung zu entwickeln.

MLU / RK

Weitere Infos

• Originalpublikation:
  X. Wang et al.: Steering magnonic dynamics and permeability at exceptional points in a parity-time symmetric waveguide, Nat. Commun. 11, 5663 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-19431-3
• Nonequilibrium Many-Body Systems (J. Berakdar), Theoretische Physik, Institut für Physik, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg