Untersuchung des durch magnetische Anregung induzierten Spinstroms in Chromtrihalogeniden

Ein ausgeklügelter Ansatz zur Entwicklung von Low-Power-, High-Speed- und High-Density-Speichergeräten basiert auf der Spintronik, einer aufstrebenden Technologie, die sich einen Freiheitsgrad von Elektronen zunutze macht, der als Spin bekannt ist. Vereinfacht gesagt besitzen Elektronen neben ihrer negativen Ladung einen Spin, dessen Ausrichtung durch Magnetfelder gesteuert werden kann. Dies ist besonders relevant für magnetische Isolatoren, in denen sich die Elektronen nicht bewegen können, der Spin aber kontrollierbar bleibt. In diesen Materialien können die magnetischen Anregungen einen Spinstrom hervorrufen, der die Grundlage der Spintronik bildet.

Wissenschaftler haben nach effizienten Methoden gesucht, um den Spinstrom zu erzeugen. Der photogalvanische Effekt, ein Phänomen, das durch die Erzeugung von Gleichstrom aus Lichteinstrahlung gekennzeichnet ist, ist in dieser Hinsicht besonders nützlich. Studien haben ergeben, dass ein photogalvanischer Spinstrom auf ähnliche Weise unter Verwendung der Magnetfelder in elektromagnetischen Wellen erzeugt werden kann. Allerdings fehlen uns derzeit Kandidatenmaterialien und eine allgemeine mathematische Formulierung zur Erforschung dieses Phänomens.

Nun hat sich Associate Professor Hiroaki Ishizuka vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) zusammen mit seinem Kollegen mit diesen Fragen befasst. In ihrer kürzlich veröffentlichten Studie in Briefe zur körperlichen Überprüfungstellten sie eine allgemeine Formel vor, mit der der photogalvanische Spinstrom berechnet werden kann, der durch transversal oszillierende magnetische Anregungen induziert wird. Anschließend verwendeten sie diese Formel, um zu verstehen, wie photogalvanische Spinströme in Doppelschicht-Chrom(Cr)-Trihalogenid-Verbindungen, nämlich Chromtriiodid (CrI3) und Chromtribromid (CrBr3), entstehen.

„Im Gegensatz zu früheren Studien, die longitudinal oszillierende Magnetfelder zur Erzeugung von Spinströmen betrachteten, konzentriert sich unsere Studie auf transversal oszillierende Magnetfelder. Auf dieser Grundlage fanden wir heraus, dass Prozesse mit einem Magnonenband (Quantum der Spinwellenanregung) sowie zwei Magnonenbändern dazu beitragen zum Spinstrom“, erläutert Dr. Ishizuka.

Unter Verwendung ihrer Formel fand das Duo heraus, dass sowohl CrI3 als auch CrBr3 einen großen photogalvanischen Spinstrom für magnetische Anregungen zeigten, die elektromagnetischen Wellen bei Gigahertz- und Terahertz-Frequenzen entsprachen. Der Strom trat jedoch nur auf, wenn die Spins eine antiferromagnetische Ordnung zeigten, was bedeutet, dass aufeinanderfolgende Spins antiparallel waren, im Gegensatz zu einer ferromagnetischen Ordnung (bei der aufeinanderfolgende Spins parallel sind).

Darüber hinaus wurde die Richtung des Spinstroms durch die Orientierung der antiferromagnetischen Ordnung bestimmt (ob die Spins auf der ersten und zweiten Schicht oben-unten oder unten-oben angeordnet waren). Darüber hinaus wiesen sie darauf hin, dass im Gegensatz zu früheren Erkenntnissen, die den Spinstrom nur dem Zwei-Magnon-Prozess zuschrieben, ihre Formel zeigte, dass mit dem Einzel-Magnon-Prozess im Allgemeinen eine große Reaktion möglich war.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Doppelschichten CrI3 und CrBr3 gute Kandidaten für die Untersuchung des Mechanismus sind, der mit der photogalvanischen Spinstromerzeugung verbunden ist.

„Unsere Studie sagt nicht nur unvorhergesehene Beiträge zum Spinstrom voraus, sondern liefert auch eine Richtlinie für das Design neuartiger Materialien, die durch den photogalvanischen Effekt magnetischer Anregungen angetrieben werden“, sagt Dr. Ishizuka.