Untersuchung von Nichtgleichgewichts-Spin-Ladungs-Transportmechanismen für Hochleistungs- und antennengekoppelte spintronische Terahertz-Bauelemente (HIGH-SPINTERA)

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Meinert; Professor Dr. Sascha Preu; Professor Dmitry Turchinovich, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 518575758

Die jüngste Demonstration effizienter spintronischer Terahertz-Quellen (THz, 100 GHz - 10 THz) auf der Grundlage von Dünnschichtsystemen aus nichtmagnetischen Schwermetall- (HM) und ferromagnetischen (FM) Schichten eröffnete einen neuen Weg in der THz-Physik und -Technik. Die Schichtstapel werden mit ultrakurzen (< 100 fs) Laserpulsen beleuchtet; der Laserpuls erzeugt einen normal gerichteten ultraschnellen Spinstrompuls vom FM in die HM-Schicht, wo ein transversaler, ultraschneller Ladungsstrompuls über die Umwandlung von Spin- in Ladungsstrom durch den inversen Spin-Hall-Effekt (ISHE) erzeugt wird. Der ultraschnelle Strom, der in der Ebene des Emitters fließt, ist wiederum die Quelle der THz-Emission. Die Emissionseffizienz ist vergleichbar mit vielen etablierten THz-Emissionstechniken, wie z. B. der elektrooptischen THz-Erzeugung. Der Vorteil von spintronischen THz-Emittern (STEs) gegenüber Photoleitern ist: a) Die ultrabreitbandige THz-Strahlung bei Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen ohne die durch das Reststrahlenband verursachte spektrale Lücke. Die Anregung mit <50 fs-Laserpulsen führt zu einer emittierten THz-Bandbreite von >10 THz; und b) der Herstellungsprozess von STEs ist kostengünstig, da die Metallfilme kommerziell auf großen, kostengünstigen Substraten hergestellt werden können und keine externe elektrische Schaltung erforderlich ist. Die physikalischen Grundlagen der spintronischen THz-Emitter sind jedoch noch nicht vollständig geklärt. Darüber hinaus konnten bislang weder der (Quasi-)CW-Betrieb noch ein reziproker Betrieb als THz-Detektor nachgewiesen werden. In diesem Antrag werden wir die jüngste Arbeit an den STEs weiter vorantreiben, indem wir a) die Prinzipien des zugrundeliegenden Ladungs- und Wärmetransports besser verstehen; b) den CW-Betrieb mit Zweifarbenanregung verstehen und demonstrieren; und c) die Schichtsysteme für einen anhaltenden gepulsten Hochleistungs- und Quasi-CW-Betrieb optimieren. Unser Vorschlag verfolgt drei Ziele, die in Zusammenarbeit von drei etablierten Forschern auf diesem Gebiet angegangen werden. Das erste Ziel ist das Verständnis des Zusammenspiels zwischen elektronischem und Wärmetransportverhalten von der fs bis zur ns Zeitskala (Dmitry Turchinovich), das eine Schlüsselrolle für den CW-Betrieb spielt, der bisher nicht nachgewiesen werden konnte. Das zweite Ziel ist die Erforschung und Beseitigung von Degradationsmechanismen und die Verbesserung der Filmqualität und des Designs (Markus Meinert). Das dritte Ziel ist die Verbesserung der Emissionseffizienz durch die Implementierung technischer Antennenstrukturen zur räumlichen und zeitlichen Formung der THz-Pulse, quasi-optische Einbettung und Optimierung für den Betrieb mit kostengünstigen, kompakten Faserlasersystemen (Sascha Preu). Unser gemeinsamer Vorschlag nutzt somit das Fachwissen, das von der Grundlagenphysik und den Materialwissenschaften bis hin zu ausgereiften Hochleistungsgeräten reicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen