Magnetismus

Ferromagnetische Schichtsystem bilden das Kernstück für neuartige Technologien und Anwendungen im Bereich der Kommunikation, Datenspeicherung und auch auf dem Energiesektor. Nichtsdestotrotz ist ein Vielzahl von Effekten und Eigenschaften noch nicht verstanden. Grundlegende wissenschaftliche Fragen über das Verhalten sind noch offen, in deren Beantwortung die Hoffnung liegt, neuartige Lösungsansätze für Technologiefragen zu finden.

Die besonderen Eigenschaften von Licht- und Mikrowellen bieten eine unübertroffene und tiefschürfende Untersuchungsmöglichkeit für die elektronische und magnetische Struktur und Funktionsweise dieser Materialien.

Die in-house Forschungsaktivitäten nutzen diese Potentiale, und konzentrieren sich auf folgende Fragestellungen und Themen, die Elektronen, Photonen und Ionen als Sonden einsetzen:

1. Funktionelle Materialien für Magnonik und Spintronik

• Untersuchung von Materialien mit schaltbarem Phasenübergang sowie ionenstrahlmodifizierten magnonischen Systemen:
  Unordnungsinduzierter Ferromagnetismus in ansonsten chemisch geordneten binären Metalllegierungen, wie z. B. FeAl, bietet die Möglichkeit für eine gezielte magnetische Strukturierung mittels Lithographie und Ionenbestrahlung.Lokale He/Ne-Ionenmikroskopie oder Einzelionenimplantation mit nm-Auflösung bietet so den Zugang zur Magnetisierungsdynamik einzelner Strukturen wie auch gekoppelter Anordnungen
• Gezielte Manipulation magnetischer Materialien durch Ionenbestrahlung:
  Zu den ioneninduzierte Effekten in Ferromagneten gehören u.a. Änderungen der Sättigungsmagnetisierung, Anisotropie, Dämpfung, Spin-Hall-Winkel oder Spinpump-Eigenschaften. Die Kombination mit Strukturierungstechnken erlaubt die Herstellung von Hybridmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften.
• Auf dem Weg zur Einzel-Elektronen-Spintronik:
  Wir nutzen Selbstordnungsphänomene um in einzelnen Nanopartikeln den Magneto-Coulomb-Effekt zu untersuchen.

2. Magnetisierungsdynamik: Getriebene und ultraschnelle transiente Zustände

• Kontrolle der magnetischen Relaxation ‒ mit individuellen Nanostrukturen als Baustein zu mesoskopischen Netzwerken:
  Um die Relaxation gezielt beeinflussen oder steuern zu können ist die Kenntnis wie auch die Trennung der einzelnen Prozesse enorm wichtig. Durch Mikroresonator-Technik oder alternative Detektionsprinzipien (optisch, elektrisch) lässt sich die Empfindlichkeit soweit steigern, dass auch einzelne Nanoelemente untersuch werden können, um deren dynamischen Eigenschaften zu ermitteln.
• Spin-torque Oszillatoren – auf dem Weg in den THz-Bereich:
  Um den Durchbruch in den sub-THz und THz-Bereich zu erzielen, untersuchen wir Materialien mit hohen intrinsischen Feldern, wie z.B. Ferro- und Ferrimagnete mit ultrahoher Anistropie oder Antiferromagneten mit starker Austauschwechselwirkung. Damit sollte es möglich sein, die Resonanzfrequenz mindestens um eine Größenordnung zu steigern. Auf diese Weise böten sich neue Szenarien und Spektren für THz-Funkanwendungen.
• Gegenseitige Beeinflussung von Spinwellen/Spinströmen und Plasmonen:
  Neueste Entwicklungen auf den Gebieten der Spintronic und Photonic zeigen mehr und mehr, dass sich die Magnonik als das Bindeglied darstellt, das die Lücke zwischen ladungsträgerbasierten und photonenbasierten Physik in Bezug auf die Zeit- und Längenskala schliesst. Neuartige Effekte, wie der direkte und inverse Spin-Hall-Effekt wie auch Spin-Transfer-Effekte zeugen von dem gegenseitigen Wechselspiel von Spinwellen/Spinströmen untereinander wie auch mit Plasmonen. Informationsverarbeitung auf Basis von Spinwellen wäre reprogrammierbar. D. h. das die Schaltlogik in einem magnonischen Prozessor zur Laufzeit schnell anpassbar wäre, wie es derzeit transistorbasiert langsam nur mit FPGAs möglich ist.
• Untersuchung der Dynamik in Vortex-Multilagen und Skyrmion-Spin-Texturen
  wobei ein besonderes Augenmerk auf Magnetowiderstand, Spindrehmoment, und der vorhergesagten Spinwellen-Emission. Experimentell werden die individuelle Objekte mittels elementselektiver, zeitaufgelöster Röntgen-Mikroskopie untersucht, da nur so die dazu notwendige Ortsauflösung erzielt werden kann.

Arbeitsgruppen:

• Grenzflächenmagnetismus
• Magnetisierungsdynamik
• Magnonik (Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe)
• Intelligente Werkstoffe und Funktionselemente
• Magnetische Funktionsmaterialien