Rechnen mit Magnonen

Magnetische Materialien spielen bei der Entwicklung neuer Speicher- und Informations­technologien eine große Rolle. Ein noch junges Forschungsgebiet auf diesem Feld ist die Magnonik: Sie beschäftigt sich mit Spinwellen in Kristall­schichten. Die Auslenkung der Spins kann sich dabei in einem Festkörper wellenartig ausbreiten. „In magno­nischen Bauteilen müssten keine Elektronen für die Informations­verarbeitung wandern, weswegen sie viel weniger Energie verbrauchen würden“, sagt Georg Schmidt vom Institut für Physik an der Universität Halle-Wittenberg. Sie könnten außerdem schneller und kleiner sein als bisherige Techno­logien.

Doch bisher ist es sehr aufwendig, die dafür benötigten Materialien zu produzieren. Häufig kommt dabei Yttrium-Eisen-Granat (YIG) zum Einsatz, weil es besonders geeignete magne­tische Eigen­schaften hat. „Das Problem war bisher, dass man die benötigten sehr dünnen, qualitativ hoch­wertigen Schichten nur auf einem bestimmten Träger­material herstellen kann und dass sich diese dann nicht mehr ablösen ließen“, erklärt Schmidt. Das Trägermaterial wiederum hat ungünstige elektro­magnetische Eigen­schaften. Dieses Problem haben die Physiker nun gelöst, indem sie das Material dazu bringen, brücken­artige Strukturen zu bilden. So wird es zwar auf dem idealen Träger­material produziert, danach aber abgelöst.

„Diese kleinen Plättchen können dann theoretisch auf jedes beliebige Material geklebt werden“, so Schmidt. Die Methode basiert auf einem Herstellungs­prozess bei Raumtemperatur, der in seinem Labor entwickelt wurde. Die Wissenschaftler haben die wenige Quadrat­mikrometer großen Plättchen auf Saphir geklebt und anschließend die Eigenschaften gemessen. „Wir haben auch bei tiefen Temperaturen gute Ergebnisse gehabt“, so Schmidt. Diese seien für Hochfrequenz-Experi­mente notwendig, die in der Quanten­magnonik häufig durchgeführt werden. „Man könnte die Yttrium-Eisen-Granat-Plättchen aber auch zum Beispiel auf Silizium kleben“, so Schmidt. Der Halbleiter wird in der Elektronik sehr häufig angewendet. Zudem könne man auch andere, beliebig geformte Dünnschicht-Mikro­strukturen aus YIG produzieren. Das ist laut Schmidt besonders für hybride Bauteile spannend, bei denen Spinwellen beispiels­weise an elektrische Wellen oder auch mechanische Schwingungen gekoppelt werden.
 

MLU Halle-Wittenberg / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  P. Trempler et al.: Integration and characterization of micron-sized YIG structures with very low Gilbert damping on arbitrary substrates, Appl. Phys. Lett. 117, 232401 (2021); DOI: 10.1063/5.0026120
• Nanostrukturierte Materialien, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Halle