Direkter Blick auf Spinwellen

25. Februar 2016

Spinwellen könnten die Informationsdatenträger der Zukunft werden, denn sie breiten sich nahezu reibungsfrei aus und erzeugen somit kaum Wärme. Allerdings lassen sich Informationen nur in Spinwellenpaketen kodieren. Einer Gruppe von Wissenschaftlern am Hamburger Exzellenzcluster CUI ist es gelungen, solche genau definierten Pakete zu erzeugen und in Zeitlupen-Videos festzuhalten. In der Fachzeitschrift Scientific Reports beschreiben die Forscher ihren Versuchsaufbau, mit dem sie die extrem schnell ablaufenden Prozesse sichtbar machen. Dabei konnten auch ungewöhnliche Wellenbewegungen erzeugt werden, die sich nach Anregung aus der Ferne auf die Quelle zu bewegen. Wie bei einem „Moonwalk“ widersprechen diese Bewegungen der menschlichen Intuition.

„Aktuell ist eine große Vision, mit solchen Spinwellen Informationen zu übertragen und zu verarbeiten“, sagt Dr. Philipp Wessels vom Zentrum für Optische Quantentechnologien (ZOQ) der Universität Hamburg. Der Vorteil einer magnetischen Informationsverarbeitung gegenüber konventioneller Elektronik ist, dass sich kaum Wärme entwickelt. Denn eben diese Wärmeentwicklung limitiert die Leistung von Computerprozessoren und Smartphones derzeit noch maßgeblich. Spinwellen breiten sich aufgrund der Wechselwirkung der magnetischen Momente nahezu reibungsfrei aus. Doch nur in räumlich und zeitlich begrenzten Spinwellen in Form von Spinwellenpaketen lassen sich Informationen kodieren. Wessels: „Unser Setup erlaubt die direkte Erzeugung solcher Wellenpakete und kann diese vollständig in Raum und Zeit charakterisieren.“

Die Messungen der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Gruppen um Prof. Markus Drescher (Universität Hamburg) und Dr. Guido Meier (Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie) zeigen die Entstehung einer Spinwelle: Dabei richteten die Forscher die magnetischen Momente der Atome der Probe mit einem sehr kurzen Magnetfeldpuls aus. Diese so ausgelenkten "Kompassnadeln" fangen dann an zu schwingen und diese Schwingung überträgt sich zu den benachbarten Elementarmagneten. So breitet sich eine Magnet-"La-Ola" aus und ein Spinwellenpaket entsteht. Die Ausrichtung der magnetischen Momente wurde mittels der Anrege-Abfrage- (Pump-Probe) Technik mit Femtosekunden-Laserpulsen abgetastet.

Ein Video zeigt die sich ausbreitende Magnet "La-Ola". Dort sieht man die Ausrichtung der Magnetelemente (Mz) über den Ort (x und y) im zeitlichen Verlauf. Nach Anregung beginnt die Schwingung an der Quelle (x ≈ 5 µm) und breitet sich dann nach rechts aus. Der gefilmte Vorgang dauert in Echtzeit 1,5 Nanosekunden und wurde mit 300 Femtosekunden kurzen Laserblitzen abgetastet; die Ultrazeitlupen-Aufnahme besteht aus 200 Milliarden Bildern pro Sekunde. Die räumliche Auflösung des Videos beträgt ca. 500 Nanometer, kann also sehr kleine Strukturen sichtbar machen.

Das zweite Video zeigt eine sehr ungewöhnliche Spinwellen-Anregung: Die Auslenkung der magnetischen Momente startet wieder links im Video (bei x ≈ 2 µm) – allerdings breitet sich die Spinwelle dann nicht wie gewohnt nach rechts aus. Vielmehr laufen die Wellenberge und -täler von rechts außen auf die Quelle zu. Solche rückwärtsdrehenden Spinwellen werden auch "Backward Volume"-Moden genannt und lassen sich nur sehr schwer anregen und beobachten. „Eine Anregung in ferromagnetischen Materialien mit solch hohen Frequenzen und kleinen Wellenlängen konnte bisher noch nicht direkt beobachtet werden. Hier sieht man nun erstmals wie diese eher untypische Wellenbewegung abläuft“, sagt Wessels.

Die Forschungsergebnisse erlauben zudem Einblicke in Metamaterialien, die es ermöglichen z.B. Mikrowellen oder Licht um Gegenstände herum zu lenken und diese somit unsichtbar erscheinen zu lassen. Da diese Art von Materialien auch negative Wellenbewegungen erzeugen und sich somit ähnlich verhalten wie die jetzt direkt beobachteten Backward Volume Moden, ließen sich auch ihre Eigenschaften mit diesen Spin-Systemen simulieren.

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