Untersuchung des Quench-Schaltens von Antiferromagneten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung

• Antragsteller: Dr. Bernd Kästner; Professor Dr. Jairo Sinova, Ph.D.; Professor Dr. Jörg Wunderlich
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 452301518

Das deutsch-tschechische Verbundprojekt AFQuench zielt auf ein vollständiges mikroskopisches physikalisches Verständnis des neuartigen Schaltmechanismus in Antiferromagneten ab, bei welchem das System durch elektrische und optische Impulse gesteuert und in hochresistive nanofragmentierte Domänenzustände getrieben wird. Vor dieser Entdeckung konzentrierte sich das Gebiet der antiferromagnetischen Spintronik auf das Schalten der Zustände des Antiferromagneten durch Ausnutzung direkter Analogien mit dem Gegenstück der ferromagnetischen Spintronik mit dem Ziel, die Orientierung der magnetischen Ordnung mittels des Spin-Orbit-Drehmoments zu steuern. Dieser Erfolg förderte Antiferromagneten als aktive Elemente in elektronischen Speicherbausteinen und brachte viele Vorteile wie Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und THz-Skalen-Dynamik mit sich. Ähnlich wie bei Ferromagneten blieb jedoch die inhärente Schwäche der Auslesesignale mit niedrigem Widerstand bestehen. Der neu entdeckte Quench-Schaltmechanismus stellt einen neuen Forschungszweig in der antiferromagnetischen Spintronik dar und hat kein direktes Analogon im gesamten Bereich des Magnetismus. Dieser Schaltmechanismus vermeidet viele der Schwächen des Reorientierungs-Schaltmechanismus und ermöglicht die Verwendung von Gleichstrom- und fs-Laserimpulsen, wobei eine Brücke zwischen ultraschneller Opto-Spintronik und Spin-Elektronik geschlagen wird. Basierend auf den vorbereitenden mikroskopischen Studien des tschechisch-deutschen Teams schreiben wir diese unvergleichlichen elektrischen und optischen Geräteeigenschaften dem Puls-quenchen des Antiferromagneten in metastabile nanofragmentierte Domänenzustände zu. Über diese ersten Beobachtungen hinaus ist derzeit nur wenig über die Dynamik und den spezifischen physikalischen Ursprung des neuen Mechanismus bekannt. Das Projekt basiert auf der Synergie der Expertisen der tschechischen und deutschen Partner bei der Entwicklung und Anwendung komplementärer, über den Stand der Technik hinausgehender, raum- und zeitaufgelöster bildgebender Verfahren: (i) Raster-Nahfeld-Magneto-Seebeck-Mikroskopie mit 10 nm Auflösung, (ii) Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung, (iii) sub-ps THz/optische Pump-Probe-Technikund (iv) Raster-Nahfeld-THz/optische Mikroskopie mit gleichzeitig hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung, die alle durch (iv) theoretische Modellierung auf mehreren Skalen untermauert werden. Die möglichen Auswirkungen unseres Projekts sind multidisziplinär und reichen von Speicherlogik-Geräten, die über die konventionelle digitale Elektronik (Architekturen künstlicher Intelligenz) hinausgehen und ultraschnelle optische Schaltungen, bis hin zu magnetischen Mikroskopen, welche die modernen Grenzen der räumlichen und zeitlichen Auflösung überschreiten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Professor Dr. Lukas Nádvorník; Dr. Kamil Olejník, Ph.D.