Team entdeckt Magnon-Phonon-Fermi-Resonanz in einem Antiferromagneten

Bald werden Datenspeicherzentren voraussichtlich fast 10 % der weltweiten Energieerzeugung verbrauchen. Dieser Anstieg ist unter anderem auf inhärente Einschränkungen der verwendeten Materialien – Ferromagnete – zurückzuführen. Folglich hat dieses Problem eine Suche nach schnelleren und energieeffizienteren Materialien ausgelöst.

Einer der vielversprechendsten Ansätze sind Antiferromagnete – Materialien, die nicht nur robustere und 1.000-mal schnellere Lese- und Schreibvorgänge versprechen, sondern auch häufiger vorkommen als ihre ferromagnetischen Gegenstücke. Das Verständnis und die Kontrolle dieser Quantenmaterialien sind der Schlüssel zur Weiterentwicklung zukünftiger Technologien. Ein internationales Forschungsteam berichtet nun von einem wichtigen Fortschritt bei diesem Unterfangen.

Die Wechselwirkung zwischen Spins und dem Kristallgitter eines Materials ist für spintronische Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da sie den Spin – das magnetische Moment des Elektrons – nutzen, um Informationen in magnetische Bits zu schreiben. In ferromagnetischen Materialien interagieren diese Spins stark und erzeugen einen Welleneffekt, der als Spinwelle bezeichnet wird und sich durch das Material bewegen kann.

Spinwellen sind deshalb so spannend, weil sie Informationen transportieren können, ohne dass Elektronen bewegt werden müssen, im Gegensatz zu den elektrischen Strömen in heutigen Computerchips. Das bedeutet, dass weniger Wärme erzeugt wird. Und so wie man sich Licht als quantisierte Teilchen vorstellen kann, die man Photonen nennt, haben Spinwellen ihre eigenen Quasiteilchen, die man Magnonen nennt.

Wenn Atome im Gitter eines Materials hingegen gleichmäßig schwingen, wird diese Bewegung durch Quasiteilchen, sogenannte Phononen, beschrieben.

Die Forschung des Teams konzentrierte sich auf das antiferromagnetische Material Kobaltdifluorid (CoF2), in dem Magnonen und Phononen koexistieren. In diesem Material sind benachbarte Spins antiparallel ausgerichtet, was eine tausendmal schnellere Spindynamik ermöglicht als in herkömmlichen ferromagnetischen Materialien.

Dieser Fortschritt könnte zu schnellerem und energieeffizienterem Schreiben von Datenbits führen. Wissenschaftler regen diese Spindynamik durch Kopplung mit Lichtimpulsen bei Terahertz-Frequenzen an.

Darüber hinaus tritt die sogenannte Fermi-Resonanz, die erstmals vor fast einem Jahrhundert in Kohlendioxid beschrieben wurde, auf atomarer und molekularer Ebene auf, wenn zwei durch die Absorption thermischer Energie verursachte Schwingungsmodi interagieren und einer die doppelte Frequenz des anderen aufweist. Das Prinzip der Fermi-Resonanz wurde bisher auf magnonische oder phononische Systeme ausgedehnt.

In dieser Arbeit ist es den Wissenschaftlern jedoch erstmals gelungen, eine starke Kopplung zwischen dem Spin und dem Kristallgitter herzustellen, die einen gegenseitigen Energietransfer zwischen diesen Subsystemen eines antiferromagnetisch geordneten Materials darstellt. Die Forschung ist veröffentlicht In Naturkommunikation.

Magnonen und Phononen im Gleichtakt

In diesem Projekt entdeckten experimentelle und theoretische Festkörperforscher vom Institut für Moleküle und Materialien (IMM) der Radboud-Universität, dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), der Universität zu Köln und dem Ioffe-Institut einen neuartigen Energietransferkanal zwischen Magnonen und Phononen in einem Antiferromagneten unter der Bedingung der Fermi-Resonanz. Dies könnte in Zukunft die Steuerung solcher antiferromagnetischer Systeme für eine schnellere und energieeffizientere Datenspeicherung ermöglichen.

Mithilfe der intensiven und spektral hellen, beschleunigerbasierten superradianten THz-Quelle am ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlungsquellen des HZDR regten die Forscher gezielt die antiferromagnetische Spinresonanz an und stimmten ihre Mittenfrequenz durch ein starkes äußeres Magnetfeld von bis zu mehreren Tesla ab. Mit dieser Konfiguration konnten sie die Spinresonanzfrequenzen auf die halbe Gitterschwingungsfrequenz abstimmen und damit die Fermi-Resonanzbedingung erfüllen.

Die Forscher entdeckten ein neues System gekoppelter Magnon-Phonon-Dynamik, das einen Energieaustausch zwischen diesen beiden Subsystemen bei der Fermi-Resonanz ermöglicht. Durch die Abstimmung der Frequenzen der Magnonen können die Forscher diesen Prozess steuern und insbesondere die Magnon-Phonon-Kopplung verstärken.

Dieses neue Regime wurde als Verbreiterung der Phononenspektren und als asymmetrische Umverteilung des Phononenspektralgewichts beobachtet. Letztlich deuten ihre Ergebnisse auf einen hybridisierten Zwei-Magnon-Ein-Phonon-Zustand hin. Ihre Arbeit könnte sich in den Bereichen Magnonik und Phononik als wichtig erweisen, in denen kohärente Energiekontrolle eine zentrale Rolle spielt.

Innovative Funktionalitäten in der Datenspeicherung der Zukunft

Die Forschungsergebnisse bieten einen Weg, die Spin-Gitter-Kopplung nach Bedarf zu manipulieren. Erstens ermöglicht dies eine erhebliche Erhöhung der Betriebsfrequenz von der herkömmlichen GHz-Rate ferromagnetischer Materialien bis hin zum THz-Bereich antiferromagnetischer Materialien. Zweitens könnte dies die Effizienz des magnetischen Schreibens deutlich steigern, was wiederum die Mindestenergiemenge verringert, die für Bitschreibvorgänge erforderlich ist, und damit den Gesamtenergieverbrauch erheblich senkt.

Die Ergebnisse schlagen daher einen innovativen Weg zur Steuerung der Dynamik von Antiferromagneten vor, der zu konzeptionell neuen Datenspeichertechnologien auf Basis solcher Materialien führt. In zukünftigen Studien möchte das Forschungsteam untersuchen, ob die Bedingung der Fermi-Resonanz erweitert werden kann, um andere neuartige Quantenmaterialien zu steuern, was möglicherweise zu Fortschritten in Materialwissenschaft und -technologie führen könnte.