Hybridisierung akustischer Resonanzen mit Magnonen und Photobeb in YIG

• Antragsteller: Professor Dr. Georg Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490952840

Neue Entwicklungen im Bereich der Telekommunikation und der Quanteninformation erfordern die Einführung neuer Post-CMOS Materialien, die Mikrowellenfunktionalität bei ultra-niedriger Verlustleistung mit der Möglichkeit zur Nanostrukturierung und Integration vereinen. In dieser Hinsicht sind Granate, insbesondere Yttriumeisengranat (YIG), mit ihrer Erfolgsgeschichte bei der Verbesserung Mikrowellen- und optischen Bauelementen verbessert haben, ideale Kandidaten. Bisher wurde die Weiterentwicklung von YIG-Dünnschichten für die Integration dadurch behindert, dass YIG epitaktisch nur auf Gadoliniumgalliumgranatsubstraten (GGG) aufwächst. Sowohl für Photonen als auch für Phononen, sind YIG und GGG aber so gut angepasst, dass Schwingungsenergie aus dem YIG ins Substrat abfließt und Oszillation nicht auf das YIG beschränkt werden können. Dieses Problem kann durch einen in Halle entwickelten Prozess gelöst werden, in dem freitragende YIG-Mikrostrukturen mit langer Magnonenlebensdauer hergestellt werden können, die den Energieabfluss ins Substrat größtenteils vermeiden. Diese Strukturen haben das Potenzial, den Aufbau von verschiedenen hochwertigen Front-End Telekommunikationsbauelementen im GHz Bereich zu revolutionieren. Zusätzlich können Sie für neue Bausteine für den Austausch von Quanteninformation zwischen weit entfernten Q-Bits im GHz Bereich verwendet werden. HARMONY wird zu einem technologischen Durchbruch führen, indem Wege für die Integration von kohärenter und effizienter Konversion von Information zwischen Photon, Phonon und Magnon auf einem Chip aufgezeigt werden. Das Projekt baut auf der dreifachen (tripartiten) Hybridisierung in YIG auf, bei der drei verknüpfte Resonanzen hoher Güte genutzt werden. Um technologische Roadblocks zu beseitigen nutzt HARMONY die freitragenden YIG Strukturen, um folgende Ziele zu erreichen: i) Effiziente Anregung von GHz phononen durch magnetoelastische Effekte und durch die Abstimmung von 3 Kavitäten; ii) Verbesserung der Energieeffizienz durch Verwendung eines Materials mit ultra-niedrigen Verlusten für höchste Oszillatorgüten und iii) die Verwirklichung dieser Ziele integriert auf einem Chip. Ziel des Projektes wird es sein, innerhalb von drei Jahren die Performance der Strukturen als Mikrowellen-Transducer zu charakterisieren und zu evaluieren. Das Projekt ist als Kooperation zwischen Spintec, Néel und Halle geplant, wobei die Synergie der drei Expertisen es ermöglichen wird, diese ambitionierten Ziele zu erreichen. Während Halle sich mit der Kopplung von Mikrowellenphotonen und Magnonen bei tiefen Temperaturen befasst, wird die Magnon-Phonon-Kopplung in Frankreich untersucht. Mikrostrukturierung und YIG-Deposition finden allein in Halle statt, während mikromagnetische Simulationen und Resonatordesign sowie Charakterisierung der Strukturen mittels FMR Mikroskopie bei Raumtemperatur bei Spintec vorgenommen wird. Komplementär dazu wird Néel optomechanische Untersuchung der Schwingungsmoden durchführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Olivier Klein; Dr. Benjamin Pigeau