Forschung

Starke Kopplung von Schall- und Spinwellen in Magneten

18.11.2020 - Übereinstimmung der Wellen sowohl in Frequenz als auch in räumlicher Struktur erzielt.

In magnetischen Materialien gibt es zwei Arten von Anregungen, die perspek­tivisch als effi­ziente Informa­tions­träger dienen könnten: die Vibra­tionen des Kristall­gitters und die Schwingungen des magnetischen Moments. Einem inter­nationale Team unter Leitung von Alexey Scherbakov von der TU Dortmund gelang es jetzt zu zeigen, dass diese beiden Anregungen durch starke Kopplung noch leistungs­fähiger werden können.

Da sich Schall- und Spinwellen ohne elektrische Ladung ausbreiten, erfahren sie auch keinen elektrischen Wider­stand, der Verluste verursachen und einen Prozessor aufheizen würde – wie in konven­tio­nellen Geräten. Die Wellen schwingen zudem mit Frequenzen von bis zu hundert Gigahertz – die damit wesentlich höher sind als die Takt­frequenzen von wenigen GHz in modernen Prozessoren – während ihre Wellen­längen weit unter einem Mikro­meter liegen. Geräte, die in Zukunft diese Art der Daten­ver­arbeitung nutzen, könnten also erheblich schneller, kleiner und energie­effizienter sein.

Um diese Vorteile ausnutzen zu können, müssen zunächst jedoch zuver­lässige Mechanismen für die Daten­hand­habung entwickelt werden. Dafür kann man sich beispiels­weise zunutze machen, dass Schall­wellen Spin­wellen auslösen können und umge­kehrt, sodass diese beiden Wellen­formen inein­ander umge­wandelt werden können. Dazu bedarf es jedoch einer möglichst starken Kopplung zwischen den beiden Wellen.

Dem Forschungsteam aus Deutschland, Russland, der Ukraine und Groß­britannien gelang es erstmals, eine starke Kopplung zwischen einer Schall- und einer Spinwelle mit identischen Frequenzen in einer räum­lichen Struktur ähnlich einem Computerchip zu erzielen. Dazu beobachteten die Wissen­schaftler die wechsel­seitige Umwandlung der beiden Anregungen mit einer Zeit­auf­lösung weit unter einer Nano­sekunde. Bei der periodischen Umwandlung entsteht eine neue Anregung, die gleich­zeitig sowohl eine Schall- als auch eine Spinwelle ist.

Um diese starke Kopplung nach­zu­weisen, wurde die Oberfläche eines Ferro­magneten mit einem speziellen Muster versehen: einem Gitter mit Abständen von gerade einmal einigen zehn Nanometern. Ein ultra­kurzer Laserpuls regt in dem ferro­magne­tischen Gitter sowohl die Schwingungen der Atome als auch eine schwingende Bewegung ihres magne­tischen Moments an – dadurch entstehen die Schall- und Spinwellen.

Wenn die Wellen nicht nur in ihrer Frequenz, sondern auch in ihrer räum­lichen Struktur über­ein­stimmen, führt das zu einer besonders starken Kopplung mitein­ander. Sie bilden also einen Hybrid­zustand. Diese Beobachtung könnte zukünftig für techno­logische Zwecke verwendet werden, denn indem man Spin­wellen mit Schall­wellen koppelt, lassen sie sich auch über größere Distanzen trans­portieren – was für die Kodierung und Über­tragung hoch­frequenter Daten erforderlich ist.

TU Dortmund / RK

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