Spintronik: Physiker aus Halle und Regensburg entwickeln neue Theorie zu Spinwellen in Magnetfeldern

Mit Hilfe des neuen Modells können Vorhersagen zum Verhalten dieser Wellen schneller und genauer getroffen werden. Das Verständnis dieser nicht-linearen Eigenschaften von Spinwellen wird zum Beispiel für die Entwicklung neuer Speichertechnologien benötigt. Die Ergebnisse wurden soeben im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.

In der Spintronik nutzen Wissenschaftler die magnetischen Eigenschaften von Elektronen aus. Eine zentrale Eigenschaft ist dabei der sogenannte Spin, eine Art Eigendrehimpuls, der ein magnetisches Moment bewirkt.

Die einzelnen magnetischen Momente sind in einem ferromagnetischen Material gekoppelt und parallel ausgerichtet. Werden diese Momente nacheinander ausgelenkt, so breitet sich die Anregung wellenartig aus. „Spinwellen beschreiben den kollektiven Anregungszustand von magnetischen Systemen“, erläutert Prof. Dr. Georg Woltersdorf vom Institut für Physik an der MLU.

Magnetische Materialien werden heute in der Informations- und Speichertechnologie genutzt, um immer kleinere und schnellere Speicher herstellen zu können, zum Beispiel Festplatten von Computern. So können Daten inzwischen in einer nur wenige Nanometer dicken magnetischen Schicht gespeichert werden.

„Damit das funktioniert, ist es wichtig, dass die magnetischen Momente ihren Zustand mit der Zeit nicht verändern“, erklärt Woltersdorf weiter. Zum Umschalten sind große Magnetfelder erforderlich. „Eine Alternative ist die resonante Anregung mit magnetischen Wechselfeldern im Gigaherzbereich. Dabei werden große Amplituden erreicht und die Magnetisierung reagiert nicht-linear.“

Damit diese Technologie funktionieren kann, sind korrekte Vorhersagen zum Verhalten der Spinwellen innerhalb der Bauteile nötig. Die bisherigen Modelle, um dieses Verhalten zu beschreiben, waren aber bei kleinen Magnetfeldern nicht anwendbar: „Die Theorie der Suhl-Instabilität konnte zwar korrekt die nicht-lineare Magnetisierungsdynamik bei großen Magnetfeldern vorhersagen. Bei kleinen Magnetfeldern war sie aber nicht anwendbar.“ Gerade dieser Fall ist jedoch für manche Bauelemente in der Spintronik von großem Interesse.

Ihre Experimente haben die Wissenschaftler am Synchrotron BESSY II des Helmholtz Zentrums Berlin durchgeführt. Dabei handelt es sich um eine deutschlandweit einzigartige Großforschungsanlage, an der sich Röntgenstrahlung erzeugen lässt, deren Energie und Polarisation exakt eingestellt werden kann. „Man kann sich den Synchrotron ähnlich einem Fotoapparat mit extrem schnellen Blitzlicht vorstellen.

Da die Röntgenstrahlung gepulst erzeugt wird, sind Experimente mit einer Zeitauflösung von einigen Pikosekunden möglich „, erläutert Woltersdorf. Mit dem Experiment konnten die Forscher die magnetische Resonanz messen und dabei die Amplitude der Magnetisierung exakt bestimmen.

Anhand dieser Beobachtungen konnten die Physiker eine neue und verbesserte Theorie entwickeln: „Wir haben jetzt nicht nur ein genaueres Verständnis davon, wie nicht-lineare Dynamik bei kleinen Magnetfeldern abläuft“, so Woltersdorf. „Unser Modell lässt sich sowohl bei kleinen als auch bei großen Magnetfeldern anwenden.“

Mit der Veröffentlichung schließt Georg Woltersdorf eine Arbeit ab, die er in seiner Zeit an der Regensburger Universität im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts begonnen hat. 2013 wechselte er an die MLU, um den Lehrstuhl für Experimentelle Physik, Optik und zeitaufgelöste Spektroskopie zu übernehmen.

Er transferierte damit auch sein Projekt „Electric Control of Magnetization Dynamics“ an die MLU, das die Eigenschaften von Nanomagneten erforscht. Gefördert wird es durch den Europäischen Forschungsrat mit einem ERC Starting Grant über fünf Jahre und mit einem Volumen von 1,5 Millionen Euro. Im Rahmen des EU-geförderten Projekts „Electric Control of Magnetization Dynamics (ECOMAGICS)“ untersucht Woltersdorf außerdem neue Methoden zur Kontrolle der Magnetisierungsdynamik im Nanometerbereich, die auf elektrischen Feldern basieren.

Angaben zur Publikation:
Bauer, H. G. et al. Nonlinear spin-wave excitations at low magnetic bias fields. Nat. Commun. 6:8274 doi: 10.1038/ncomms9274 (2015).