Spin- und Ladungsdynamik in ferromagnetischen Josephson Kontakten

• Antragstellerin: Professorin Dr. Elke Scheer, seit 9/2018
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317077841

Das Fernziel dieses Projektes ist die konzeptionelle Entwicklung neuer supraleitender Bauelemente für Anwendungen im Bereich der Spinelektronik. Mit hybriden supraleitenden Nanostrukturen könnte es möglich sein, verlustfreie spinelektronische Bauelemente zu konzipieren, die sich durch deutlich höhere Schaltraten und Effizienz gegenüber konventionellen Bauelementen auszeichnen. Die praktische Umsetzung dieser fundamental neuen Konzepte erfordert jedoch ein tiefgehendes Verständnis der physikalischen Eigenschaften hybrider, supraleitender Nanostrukturen, insbesondere der dynamischen Transporteigenschaften und der Kopplung der Freiheitsgrade von Spin, Ladung und Energie in solchen Systemen.In dem hier vorgestellten Projekt sollen neue Transportphänomene in ferromagnetischen Josephson Kontakten (ferromagnetic Josephson junction fJJs) untersucht werden. Josephson Kontakte sind das zentrale Element supraleitender Schaltkreise und eines der wichtigsten Beispiele für eine makroskopische Quantenkorrelation. Deshalb ist ein tieferes Verständnis der fundamentalen physikalischen Prozesse in fJJs essentiell für die Entwicklung supraleitender Spintronik Bauelemente.Die experimentelle Bestimmung der Strom Phasen Relation liefert einen direkten Zugang zu den fundamentalen Transporteigenschaften dieser Hybridsystemen. Ferromagnetische Materialien besitzen aber auch besondere dynamische Eigenschaften, die ausgenutzt werden können um Spinströme zu erzeugen, zu manipulieren und zu detektieren. So führt in fJJs die dynamische Kopplung des Josephson Suprastrom an die Magnetisierung der ferromagnetischen Barriere zu bisher unbekannten physikalischen Effekten. In diesem Projekt soll insbesondere die Nichtgleichgewichtsverteilung von Spin und Ladungszuständen in ferromagnetischen Josephson Kontakten bei der ferromagnetischen Resonanz, anhand einer nicht sinusoidalen Strom Phasen Relation untersucht werden.Häufig werden die Supraleitung und der Ferromagnetismus als konkurierende Phänomene beschrieben. Es konnte gezeigt werden, dass in Supraleiter( S) Ferrromagnet (F) Hybridsystemen, an spin aktiven Grenzflächen mit nicht kolinearer Magnetisierung, langreichweitige supraleitende Paarkorrelation induziert werden können, welche durch sog. Triplet Cooper Paare getragen wird. Gleichzeitig gibt es theoretische Vorhersagen, dass in SF Hybridsystemen die dynamische Kopplung der Leitungselektronen an die Magnetisierung in F ebenfalls Triplet Paare generiert werden können. Dieses neue Phänomen soll experimentell untersucht werden. Das Ziel dabei ist es zu zeigen, dass in langen, ferromagnetischen Josephson Kontakten (fJJs), supraleitende Paarkorrelationen auftreten, wenn in der ausgedehnten F Barriere eine räumlich und zeitlich inhomogene Magnetisierung bei der ferromagnetischen Resonanz erzeugt wird. Diese besondere Situation hätte einen Suprastrom zur Folge, der anhand von Transportuntersuchung an SFS Kontakten unter Mikrowelleneinstrahlung detektiert werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Torsten Pietsch, Ph.D., bis 8/2018