Spektroskopie von Skyrmionen in Ferro- und Antiferromagneten

• Antragsteller: Professor Dr. Philipp Pirro, seit 5/2019
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403512431

Durch das Zusammenbringen von Theorie und Experiment werden wir die Eigenmoden von Skyrmionen in ferro- und antiferromagnetischen Dünnfilmen und ihre externe Anregung untersuchen. Hauptziel ist ein allgemeines Bild zum Verständnis und zur Kontrolle der magnetischen Anregungen in individuellen Skyrmionen und Skyrmionengittern. Unser experimentelles Hauptwerkzeug wird die Brillouin-Lichtstreuspektroskopie (BLS) sein. Zur Untersuchung der Anregungen im Spinsystem dünner Filme sticht die BLS Spektroskopie auf Grund ihrer hohen Sensitivität zur Detektion thermischer Anregungen heraus. BLS hat sich dadurch zu einer der führenden Techniken zur Charakterisierung der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung in dünnen Filmen etabliert und wir werden dieses experimentelle Mittel allen Mitgliedern des SPP für eine (vergleichende) Untersuchung ihrer Schichten zur Verfügung stellen.In diesem Projekt bearbeiten wir Schlüsselfragen der Skyrmionanregung mit einer Kombination von modernsten theoretischen Methoden, Simulationen und BLS Experimenten. Das erste Etappenziel ist die Analyse und das Verständnis der thermisch angeregten Spektren von Skyrmionengittern und isolierten Skyrmionen. Hierbei stellt die BLS einzigartige Möglichkeiten zur Verfügung, um die Skyrmionen-Anregungen und Spinwellen mit endlichen Wellenvektoren in und um Skyrmionen zu untersuchen. Das zweite Schlüsselziel ist ein umfassendes Bild der linearen Skyrmiondynamik getrieben durch externer Stimuli. Dabei werden wir die externe Anregung durch Radiofrequenz-Magnetfelder und Spinströme untersuchen. Aus den Anregungsspektren werden wir wertvolle Einsichten in die zugrundeliegenden Prozesse der Skyrmiondynamik erhalten. Als dritte Schlüsselfrage werden wir die nichtlineare Skyrmionendynamik als Folge einer starken externen Anregung beleuchten und ihren Einfluss auf Skyrmion-basierte Technologien wie Skyrmion-Racetrack-Speicher oder Skyrmion-Oszillatoren aufzeigen.In unseren Experimenten bei Raumtemperatur werden wir uns auf Schichtsysteme konzentrieren, die dünne ferromagnetische Schichten aus den Materialien beinhalten, die auch in modernen spintronischen Bauteilen verwendet werden und in denen Skyrmioneigenfrequenzen typischerweise im GHz-Bereich liegen. Um das Feld der Skyrmionik zu höheren Skyrmiongeschwindigkeiten zu erweitern und die THz-Lücke zu überbrücken, wird jedes der oben definierten Ziele auch von theoretischen Vorhersagen der entsprechenden Phänomene in antiferromagnetischen Systemen begleitet. Diese theoretischen Vorhersagen werden zusammen mit unseren experimentellen Ergebnissen zur Dynamik ferromagnetischer Skyrmionen Wege aufzeigen, wie die Skyrmionspektroskopie in den THz-Bereich ausgedehnt werden kann, der intrinsisch für antiferromagnetische Dynamik ist. Dies wird neue Experimente zur Erzeugung und Manipulation von antiferromagnetischen Skyrmionen stimulieren und den Weg für zukünftige Anwendungen von Skyrmionen ebnen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2137: Skyrmionics: Topologische Spin-Phänomene im Realraum für Anwendungen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Burkard Hillebrands
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Thomas Brächer, bis 4/2019