Spin: Wechselwirkung und Kontrolle

Dr. Helmut Schultheiß

Mitarbeiter:

PhD Students:

Mauricio Bejarano

Christopher Heins

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Ziel dieses Projektes ist die Erforschung fundamentaler Wechselwirkungen zwischen Spinwellen, spin-polarisierten Elektronen und Photonen, um Verknüpfungen und Synergien zwischen drei aktuellen Forschungsgebieten - der Magnonik, Spintronik und Photonik - zu identifizieren. Motiviert sind diese Untersuchungen durch die steigende Nachfrage nach neuen Konzepten, Technologien und Materialien für die Informationsverarbeitung. Einerseits stößt die elektronische Datenverarbeitung bereits heute an ihre Grenzen hinsichtlich Geschwindigkeit und parasitärer Hitzeentwicklung, andererseits fehlt es lichtbasierten Technologien an elektrisch Methoden, Photonen schnell auf der Nanometerskala zu kontrollieren. Spinwellen, die fundamentalen Anregungen eines Ferromagneten mit Frequenzen im Gigahertz- bis Terahertzbereich, bieten die Möglichkeit, die Vorteile der Spintronik und Photonik zu verbinden und neue Wege für die Informationsverarbeitung aufzuzeigen.

Experimentelle Methoden:

• zeit- und phasenaufgelöste Brillouin-Lichtstreu-Mikroskopie (TR-µBLS)
• zeitaufgelöste magneto-optische Kerr-Mikroskopie (TR-µMOKE)
  • all-optical pump-probe: Femtosekunden Laser
  • Mikrowellenangeregt: Pikosekunden Laser
• elektrische Detektion über den (inversen) Spin Hall Effekt
• breitbandige Ferromagnetische Resonanz für spin pumping

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Diplom-/Bachelorarbeiten:

Wechselwirkung von Spinwellen mit Spinströmen

Die Nutzung des Spinfreiheitsgrades von Elektronen und dessen kohärenter Transport ist ein zentraler Forschungsschwerpunkt moderner Festkörperphysik. Spinwellen, auch als Magnonen bezeichnet, sind die Anregungsquanten eines Ferromagneten und können über diverse Effekte mit Spinströmen, d.h. spinpolarisierten Elektronen, wechselwirken. Diese Wechselwirkung wird in einer Bachelor- bzw. Masterarbeit mit Hilfe magneto-optischer Methoden wie z. Bsp. zeitaufgelöster Kerr-Mikroskopie und Brillouin-Lichtstreu Mikroskopie charakterisiert.

Magneto-Plasmonik

Plasmonen sind elektromagnetische Wellen, die entlang einer Metall-Dielektrikum Grenzfläche propagieren. Magnonen sind die fundamentalen Anregungen in magnetischen Materialien, die sich in Form von Wellen ausbreiten. Sowohl Plasmonen also auch Magnonen sind nicht nur von grundlagen-physikalischem Interesse, sondern auch potentielle Kandidaten fü̈r die Realisierung zukünftiger Informationstechnologien, die über die Elektronik hinausgehen. In einer Bachelor- bzw. Masterarbeit werden diese Forschungsfelder mithilfe magneto-optischer Effekte kombiniert und somit ein Beitrag zum Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen Wechselwirkungen und hin zur technischen Nutzung geliefert.

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Eingereicht

• K. Schultheiss, R. Verba, F. Wehrmann, K. Wagner, L. Körber, T. Hula, T. Hache, A. Kakay, A.A. Awad, V. Tiberkevich, A.N. Slavin, J. Fassbender, H. Schultheiss
  "Excitation of whispering gallery magnons in a magnetic vortex"
  (preprint available at arXiv:1806.03910)

Publikationen 2018

• J. Osten, K. Lenz, H. Schultheiss, J. Lindner, J. McCord, J. Fassbender
  "Interplay between magnetic domain patterning and anisotropic magnetoresistance probed by magneto-optics"
  Phys. Rev. B 97, 014415 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevB.97.014415

Publikationen 2017:

• L. Körber, K. Wagner, A. Kákay, H. Schultheiss
  "Spin-wave reciprocity in the presence of Néel walls"
  IEEE Magnetic Letters PP, 99 (2017), DOI: 10.1109/LMAG.2017.2762642
• H. Schultheiss
  "Spins in Formation"
  Physik Journal Nr. 8/9 (2017)
• A.V. Chumak, and H. Schultheiss
  "Magnonics: Spin Waves Connecting Charges, Spins and Photons" (Editorial)
  J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 300201 (2017)
• J.A. Otálora, M. Yan, H. Schultheiss, R. Hertel, A. Kákay
  "Asymmetric spin-wave dispersion in ferromagnetic nanotubes induced by surface curvature"
  Phys Rev B. 95, 184415 (2017), DOI: 10.1103/PhysRevB.95.184415 

Publikationen 2016

• J.A. Otálora, M. Yan, H. Schultheiss, R. Hertel, A. Kákay
  "Curvature-Induced Asymmetric Spin-Wave Dispersion"
  Phys. Rev. Lett. 117, 227203 (2016), DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.227203
• H. Schultheiss
  "Optik einmal anders"
  Physik Journal Nr. 10 (2016)
• K. Wagner, A. Kákay, K. Schultheiss, A. Henschke, T. Sebastian, and H. Schultheiss
  "Magnetic domain walls as reconfigurable spin-wave nanochannels"
  Nature Nanotechnology 11, 432 (2016), DOI: 10.1038/NNANO.2015.339
• M. Langer, K. Wagner, T. Sebastian, R. Hübner, J. Grenzer, Y. Wang, T. Kubota, T. Schneider, S. Stienen, J. Linder, K. Lenz, H. Schultheiss, J. Linder, K. Takanashi, R. Arias, J. Fassender
  "Parameter-free determination of the exchange constant in thin films using magnonic patterning"
  Appl. Phys. Lett. 108, 102402 (2016), DOI: 10.1063/1.4943228
• J.A. Otálora, M. Yan, H. Schultheiss, R. Hertel, A. Kákay
  "Curvature-Induced Asymmetric Spin-Wave Dispersion"
  Phys. Rev. Lett. 117, 227203 (2016), DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.227203
• H. Schultheiss
  Magnetic domain walls as reconfigurable spin-wave nano-channels (Conference Presentation)
  Proc. SPIE 9931, Spintronics IX, 99313T (2016)

Publikationen 2015

• T. Sebastian, K. Schultheiss, B. Obry, B. Hillebrands, and H. Schultheiss
  "Micro-focused Brillouin light scattering: imaging spin waves at the nanoscale"
  Front. Phys. 3, (2015), DOI: 10.3389/fphy.2015.00035
• E. Montoya, T. Sebastian, H. Schultheiss, B. Heinrich, R. Camley, Z. Celinski
  "Magnetization Dynamics", Book chapter in Magnetism of Surfaces, Interfaces and Nanoscale Materials, Elsevier (2016)
  ISBN: 978-0-444-62634-9

Publikationen 2014

• K. Vogt, F.Y. Fradin, J.E. Pearson, T. Sebastian, S.D. Bader, B. Hillebrands, A. Hoffmann, and H. Schultheiss
  “Realization of a spin-wave multiplexer”
  Nature Comms. 5, 3727 (2014)
  DOI: 10.1038/ncomms4727
• A. Hassdenteufel, C. Schubert, B. Hebler, H. Schultheiss, J. Fassbender, M. Albrecht, and R. Bratschitsch
  "All-optical helicity dependent magnetic switching in Tb-Fe thin films with a MHz laser oscillator"
  Optics Express 22, 10017 (2014), DOI: 10.1364/OE.22.010017
• A. Hoffmann, and H. Schultheiss
  "Mesoscale Magnetism"
  Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. (2014), DOI: 10.1016/j.cossms.2014.11.004
• N. Tahir, R. Gieniusz, A. Maziewski, R. Bali, M.P. Kostylev, S. Wintz, H. Schultheiss, S. Facsko, K. Potzger, J. Lindner, and J. Fassbender
  "Magnetization Reversal of Disorder-Induced Ferromagnetic Regions in Fe60Al40 Thin Films"
  IEEE Transactions on Magnetics 50, 6101304 (2014), DOI: 10.1109/TMAG.2014.2321564

Ausgewählte Publikationen vor 2014

• H. Schultheiss, J.E. Pearson, S.D. Bader, and A. Hoffmann,
  “Thermoelectric detection of spin waves”
  Phys. Rev. Lett. 109, 237204 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.237204
• H. Schultheiss, K. Vogt, and B. Hillebrands,
  “Direct observation of nonlinear four-magnon scattering in spin-wave microconduits”
  Phys. Rev. B 86, 054414 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevB.86.054414
• K. Vogt, H. Schultheiss, S. Jain, J.E. Pearson, A. Hoffmann, S.D. Bader, and B. Hillebrands,
  “Spin waves turning a corner”
  Appl. Phys. Lett. 101, 042410 (2012), DOI: 10.1063/1.4738887
• H. Schultheiss, X. Janssens, M. van Kampen, F. Ciubotaru, S. Hermsdoerfer, B. Obry, A. Laraoui, A.A. Serga, L. Lagae, A.N. Slavin, B. Leven, and B. Hillebrands,
  “Direct current control of three magnon scattering processes in spin-valve nanocontacts”
  Phys. Rev. Lett. 103, 157202 (2009), DOI: 10.1103/PhysRevLett.103.157202
• H. Schultheiss, S. Schäfer, P. Candeloro, B. Leven, B. Hillebrands, and A.N. Slavin,
  “Observation of coherence and partial decoherence of quantized spin waves in nano- scaled magnetic ring structures”
  Phys. Rev. Lett. 100, 047204 (2008), DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.047204

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