Preisträger

Spins in Formation

Das Vektorfeld, in dem sich Spinwellen ausbreiten, kann diesen interessante Eigenschaften aufprägen.

  • Helmut Schultheiß
  • 09 / 2017 Seite: 59

Spinwellen sind kollektive Anregungen magnetischer Momente eines Festkörpers. Lokal lassen sie sich durch ein Drehen der Magnetisierung auf sehr kleinen Längenskalen lenken. Damit ist es möglich, den Fluss von Spinwellen gezielt zu steuern. Dieser Vorgang könnte in der Informations­technologie als Logik­baustein Anwendung finden.

Wellen begegnen uns als Wasserwellen und Schall, die sich in einem Medium ausbreiten, aber auch als Licht und Gravitationswellen, die selbst im Vakuum Energie transportieren. Bei Spin­wellen breitet sich eine Störung in Form von präzedierenden magnetischen Momenten durch einen Festkörper mit magnetischer Ordnung aus. Damit sind Spinwellen etwas Besonderes, denn sie bewegen sich in einem Medium, das selbst ein Vektorfeld ist. Dieses ist aus den einzelnen magnetischen Momenten im Festkörper aufgebaut, die einem speziellen Bewegungsgesetz gehorchen, das wiederum den Transporteigenschaften von Spinwellen eine besondere Aniso­tropie aufprägt. Diese Eigenschaft macht Spinwellen nicht nur grund­lagenphysikalisch interessant, sondern hat mit der Vision, Spinwellen als Informationsträger in der Datenverarbeitung zu nutzen, auch das Forschungsgebiet der Magnonik begründet [1, 2].

Was bedeutet nun ein Vektorfeld als Me­dium für eine Welle? Und was genau ist dieses spezielle Bewegungsgesetz? Ein einzelnes magnetisches Moment  möchte typischerweise in Richtung des Magnetfeldes  zeigen – ähnlich einer Kompassnadel. Wird aus dieser Ruhelage ausgelenkt, so reagiert es wie ein mechanischer Kreisel, wenn dessen Rotationsachse nicht mehr parallel zur Gravitationskraft liegt:  präzediert, denn mit dem magnetischen Moment eines Elektrons ist auch ein Drehimpuls verknüpft. Die daraus resultierende Dynamik haben Landau und Lifshitz in der nach ihnen benannten Gleichung beschrieben: , wobei γ das gyromagnetische Verhältnis ist. Ein einzelnes magnetisches Moment präzediert somit auf einer Kreisbahn (Abb. 1a). Komplizierter wird es, wenn viele magnetische Momente im Festkörperverbund angeordnet sind, da sie dann über verschiedene Mechanismen miteinander wechselwirken. Um die Ausbreitung von Spinwellen zu verstehen, beschränken wir uns auf die magnetische Dipol-Dipol-Wechselwirkung...

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