Neue Theorie zu Spinwellen in Magnetfeldern

  • 17. September 2015

Bessere Beschreibung nicht-linearer Eigenschaften von Spinwellen bei kleinen Magnetfeldstärken gelungen.

Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg und der Uni Regensburg haben aufgrund von Experimenten eine neue Theorie entwickelt, um die nicht-linearen Eigenschaften sogenannter Spinwellen bei kleinen Magnetfeldern besser beschreiben zu können. Mit Hilfe des neuen Modells laseen sich Vorhersagen zum Verhalten dieser Wellen schneller und genauer treffen. Das Verständnis dieser nicht-linearen Eigenschaften von Spinwellen dient zum Beispiel für die Entwicklung neuer Speichertechnologien.

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 Georg Woltersdorf vom Institut für Physik an der MLU.

Magnetische Materialien dienen heute in der Informations- und Speichertechnologie, 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 nötig. „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."

MLU / OD

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