Kontakt

Dr. Helmut Schultheiß

Gruppenleiter
Spin: Wechselwirkung und Kontrolle
Spin Wechselwirkung und Kontrolle
h.schultheissAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 3243

Spin: Wechselwirkung und Kontrolle


PhD Students:

Christopher Heins


Ziel unserer Gruppe 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.

Projektübersicht Magnonik


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

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.


Publikationen 2023

  • T. Hache, L. Körber, T. Hula, K. Lenz, A. Kákay, O. Hellwig, J. Lindner, J. Fassbender, H. Schultheiss
    "Control of four-magnon scattering by pure spin current in a magnonic waveguide"
    Phys. Rev. Appl. 20, 014062 (2023)
  • L. Körber, C. Heins, I. Soldatov, R. Schäfer, A. Kákay, H. Schultheiss, K. Schultheiss
    "Modification of three-magnon splitting in a flexed magnetic vortex"
    Appl. Phys. Lett. 122, 092401 (2023)
  • L. Körber, C. Heins, T. Hula, J.V. Kim, S. Thlang, H. Schultheiss, J. Fassbender, K. Schultheiss
    "Pattern recognition with a magnon-scattering reservoir"
    Nature Communication 14, 3954 (2023)
  • O. Gladii, R. Salikhov, O. Hellwig, H. Schultheiss, J. Lindner, R.A. Gallardo
    "Spin-wave nonreciprocity at the spin-flop transition region in synthetic antiferromagnets
    Phys. Rev. B 107, 104419 (2023)
  • V. Iurchuk, J. Pablo-Navarro, T. Hula, R. Narkowicz, G. Hlawacek, L. Körber, A. Kákay, H. Schultheiss, J. Fassbender, K. Lenz, J. Lindner
    "Tailoring crosstalk between localized 1D spin-wave nanochannels using focused ion beams"
    Scientific Reports 13, 764 (2023)

Publikationen 2022

  • T. Hula, K. Schultheiss, F.J. Trindade Goncalves, L. Körber, M. Bejarano, M. Copus, L. Flacke, L. Liensberger, A. Buzdakov, A. Kakay, M. Weiler, R. Camley, J. Fassbender, H. Schultheiss
    "Spin-wave frequency combs"
    Appl. Phys. Lett. 121, 112404 (2022)
  • A.V. Chumak, P. Kabos, M. Wu et al.
    "Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing"
    IEEE Transactions on Magnetics 58, 0800172 (2022).
  • Q. Zhang, J. Liang, K. Bi, L. Zhao, H. Bai, Q. Cui, H.A. Zhou, H. Bai, H. Feng, W. Song, G. Chai, O. Gladii, H. Schultheiss, T. Zhu, J. Zhang, Y. Peng, H. Yang, W. Jiang
    "Quantifying the Dzyaloshinkii-Moriya Interaction Induced by the Bulk Magnetic Asymmetry"
    Phys. Rev. Lett. 128, 167202 (2022).

Pubilkationen 2021

  • F.J. Trindade Goncalves, T. Hache, M. Bejarano, T. Hula, O. Hellwig, J. Faßbender, H. Schultheiss
    "Agility of spin Hall nano-oscillators"
    Physical Review Applied 16, 054050 (2021)
  • J. Chen, H. Wang, T. Hula, C. Liu, S. Liu, T. Liu, H. Jia, Q. Song, C. Guo, Y. Zhang, J. Zhang, X. Han, D. Yu, M. Wu, H. Schultheiss, H. Yu
    "Reconfigurable Spin-Wave Interferometer at the Nanoscale"
    Nano Letters 21, 6237 (2021)
  • M.M. Salazar-Cardona, L. Körber, H. Schultheiss, K. Lenz, A. Thomas, K. Nielsch, A. Kákay, and J.A. Otálora
    "Nonreciprocity of spin waves in magnetic nanotubes with helical equilibrium magnetization"
    Appl. Phys. Lett. 118, 262411 (2021)
  • K. Schultheiss, N. Sato, P. MaXhies, L. Koerber, K. Wagner, T. Hula, O. Gladii, J. E. Pearson, A. Hoffmann, M. Helm, J. Fassbender, and H. Schultheiss
    "Time refraction of spin waves"
    Phys. Rev. Lett. 126, 137201 (2021)
  • N. Neugebauer, T. Hache, M.T. Elm, D.M. Hofmann, C. Heiliger, H. Schultheiss, and P.J. Klar
    "Frequency and magnetic field dependent properties of ordered magnetic nanoparticle arrangements"
    Phys. Rev. B 103, 094438 (2021)
  • R. Verba, L. Körber, K. Schultheiss, H. Schultheiss, V. Tiberkevich, and A. Slavin
    "Theory of three-magnon interaction in a vortex-state magnetic nanodot"
    Phys. Rev. B 103, 014413 (2021)
  • M. Bejarano, F.J. Goncalves, M. Hollenbach, T. Hache, T. Hula, Y. Berencen, J. Fassbender, M. Helm, G.V. Astakhov, and H. Schultheiss
    "Mapping the stray fields of a micromagnet using spin centers in SiC"
    IEEE Mag. Lett. (2021)
  • A. Barman, G. Gubbiotti et al.
    "The 2021 Magnonics Roadmap"
    J. Phys.: Condens. Matter (2021)

Publikationen 2020

  • L. Körber, K. Schultheiss, T. Hula, R. Verba, J. Faßbender, A. Kákay, H. Schultheiss
    "Nonlocal stimulation of three-magnon splitting in a magnetic vortex"
    Phys. Rev. Lett. 125, 207203 (2020)
  • T. Hula, K. Schultheiss, A. Buzdakov, L. Körber, M. Bejarano, L. Flacke, L. Liensberger, M. Weiler, J.M. Shaw, H.T. Nembach, J. Fassbender, H. Schultheiss
    "Nonlinear losses in magnon transport due to four-magnon scattering"
    Appl. Phys. Lett. 117, 042404 (2020)
  • O. Wojewoda, T. Hula, L. Flajšman, M. Vaňatka, J. Gloss, J. Holobrádek, M. Staňo, S. SGenen, L. Körber, K. Schultheiss, M. Schmid, H. Schultheiss, Michal Urbánek
    "Propagation of spin waves through a Néel domain wall"
    Appl. Phys. Lett. 117, 022405 (2020)
  • T. Hache, Y. Li, T. Weinhold, B. Scheumann, F. Gonçalves, O. Hellwig, J. Faßbender, H. Schultheiss
    "Bipolar spin Hall nano-oscillators"
    Appl. Phys. Lett. 116, 192405 (2020)
  • T. Hache, M. Vaňatka, L. Flajšman, T. Weinhold, T. Hula, O. Ciubotariu, M. Albrecht, B. Arkook, I. Barsukov, L. Fallarino, O. Hellwig, J. Fassbender, M. Urbánek, H. Schultheiss
    "Free-standing and positionable microwave antenna device for magneto-optical spectroscopy experiments"
    Phys. Rev. Appl. 13, 054009 (2020)
  • L. Flajšman, K. Wagner, M. Vaňatka, J. Gloss, V. Křižáková, M. Schmid, H. Schultheiss, and M. Urbánek
    "Zero-field propagation of spin waves in waveguides prepared by focused ion beam direct writing"
    Phys. Rev. B 101, 014436 (2020)

Publikationen 2019

  • H. Reichlova, T. Janda, J. Godinho, A. Markou, D. Kriegner, R. Schlitz, J. Zelezny, Z. Soban, M. Bejarano, H. Schultheiss, P. Nemec, T. Jungwirth, C. Felser, J. Wunderlich, and S. Goennenwein
    "Imaging and writing magnetic domains in the non-collinear antiferromagnet Mn3Sn"
    Nature Comm. 10, 5459 (2019)
  • K. Lenz, R. Narkowicz, K. Wagner, C. F. Reiche, J. Körner, T. Schneider, A. Kákay, H. Schultheiss, U. Weissker, D. Wolf, D. Suter, B. Büchner, J. Fassbender, T. Mühl, and J. Lindner
    "Magnetization Dynamics of an Individual Single-Crystalline Fe-Filled Carbon Nanotube"
    Small 15, 1904315 (2019)
  • L. Flacke, L. Liensberger, M. Althammer, H. Huebl, S. Geprägs, K. Schultheiss, A. Buzdakov, T. Hula, H. Schultheiss, E. R. J. Edwards, H. T. Nembach, J. M. Shaw, R. Gross, and M. Weiler
    "High spin-wave propagation length consistent with low damping in a metallic ferromagnet"
    Appl. Phys. Lett. 115, 122402 (2019)
  • N. Sato, K. Schultheiss, L. Körber, N. Puwenberg, T. Mühl, A. A. Awad, S. S. P. K. Arekapudi, O. Hellwig, J. Fassbender, and H. Schultheiss
    "Domain wall-based spin-Hall nano-oscillators"
    Phys. Rev. Lett. 123, 057204 (2019)
  • D. Slobodianiuk, G. Melkov, K. Schultheiss, H. Schultheiss, and R. Verba
    "Nonlinear ferromagnetic resonance in the presence of 3-magnon scattering in magnetic nanostructures"
    IEEE Mag. Lett. 10, 6103405 (2019)
  • T. Hache, T. Weinhold, K. Schultheiss, J. Stigloher, F. Vilsmeier, C. Back, S. S. P. K. Arekapudi, O. Hellwig, J. Fassbender, and H. Schultheiss
    "Combined frequency and time domain measurements on injection-locked, constriction-based spin Hall nano-oscillators"
    Appl. Phys. Lett. 114, 102403 (2019)
  • K. Schultheiss, R. Verba, F. Wehrmann, K. Wagner, L. Körber, T. Hula, T. Hache, A. Kákay, A. A. Awad, V. Tiberkevich, A. N. Slavin, J. Fassbender, and H. Schultheiss
    "Excitation of whispering gallery magnons in a magnetic vortex"
    Phys. Rev. Lett. 122, 097202 (2019)

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
  • K. Wagner, A. Smith, T. Hache, J. - R. Chen, L. Yang, E. Montoya, K. Schultheiss, J. Lindner,
    J. Fassbender, I. Krivorotov, and H. Schultheiss
    "Injection locking of multiple auto-oscillation modes in a tapered nanowire spin Hall oscillator"
    Scientific Reports 8, 16040 (2018)

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