Wissenschaftler koppeln Terahertz-Strahlung mit Spinwellen

Ein internationales Forscherteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat ein neues Verfahren zur effizienten Kopplung von Terahertzwellen mit viel kürzeren Wellenlängen, sogenannten Spinwellen, entwickelt. Wie die Experten im Fachblatt berichten Naturphysik, klären ihre Experimente in Kombination mit theoretischen Modellen die grundlegenden Mechanismen dieses bisher für unmöglich gehaltenen Prozesses auf. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt für die Entwicklung neuartiger, energiesparender spinbasierter Technologien zur Datenverarbeitung.

„Wir konnten hochenergetische Spinwellen mit Terahertz-Licht in einem sandwichartigen Materialsystem, bestehend aus zwei wenige Nanometer dicken Metallfilmen und dazwischen einer ferromagnetischen Schicht, effizient anregen“, sagt Dr. Sergey Kovalev vom Institut für Strahlenphysik am HZDR, wo die Experimente durchgeführt wurden. Elektronen haben einen effektiven Spin, der sich wie ein Kreisel verhält.

Und wie bei einem Kreisel kann eine äußere Störung die Rotationsachse des Spins kippen: Eine Kreiselbewegung, Präzession genannt, folgt diesem Beispiel. In ferromagnetischen Materialien gibt es eine sehr starke Wechselwirkung zwischen den Elektronenspins, und als Ergebnis setzt sich eine lokal begonnene Präzession in Form einer Spinwelle durch die gesamte Schicht aus ferromagnetischem Material fort.

Das ist interessant, weil eine Spinwelle – wie jede Welle – als Informationsträger genutzt werden kann. Während jeder Elektronenspin in Bewegung ist, bleibt er bei den betrachteten Ferromagneten an seiner Position im Atomgitter, es findet also kein Stromfluss statt. Anders als bei heutigen Computerchips gibt es also bei spinbasierten Geräten keine Wärmeverluste durch Ströme.

Zweckmäßigerweise liegen die charakteristischen Frequenzen der hochenergetischen Spinwellen im Terahertz-Bereich. Genau hier liegt der Zielbereich für neuartige ultraschnelle Technologien zur Datenübertragung und -verarbeitung. Die Kopplung optischer Terahertz-Technologie mit spinbasierten Geräten könnte daher völlig neue und effiziente Konzepte für IT-Technologien ermöglichen.

Problem: Kommunikation zwischen verschiedenen Wellentypen

Ähnlich wie beim Licht, das auch durch einzelne Teilchen namens Photonen beschrieben werden kann, werden die Energien von Spinwellen quantisiert, und die Quanten von Spinwellen werden Magnonen genannt. Magnonen und Terahertz-Photonen haben die gleiche Energie und sollten daher leicht ineinander umwandelbar sein. Doch dabei gibt es ein Problem: die völlig unterschiedliche Geschwindigkeit der beiden Wellenphänomene.

Terahertzwellen breiten sich als elektromagnetische Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit aus, während Spinwellen an die Existenz wechselwirkender Spins gebunden sind. Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit ist hundertmal langsamer als die von Licht. Und während Terahertzwellen eine Wellenlänge von etwas weniger als einem Millimeter haben, liegt die Wellenlänge von Spinwellen hingegen im Bereich von nur wenigen Nanometern. Dadurch hat die Terahertzwelle keine Chance, ihre Energie gezielt und direkt auf eine viel langsamere Spinwelle zu übertragen.

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher eine Kombination aus hauchdünnen metallischen Schichten aus Tantal und Platin entwickelt, in deren Mitte sie eine dünne Schicht aus einer ferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung eingefügt haben. Diese Materialkombination ist genau darauf abgestimmt, Signale aus der Welt des Lichts in die Welt der Spins zu „übersetzen“.

In vielen Schritten vom Licht zum Schleudern

Ihr Funktionsschichtmaterial haben sie am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR entwickelt und produziert. Dazu dampften sie nach und nach Metallfilme auf ein dünnes Glassubstrat. „Im Experiment haben wir die Proben dann mit intensiven Terahertz-Pulsen beschossen und ihre zeitlich schnell veränderliche Magnetisierung mit optischen Laserpulsen gemessen. Dabei fanden wir charakteristische Oszillationen der Magnetisierung, auch für Zeiten, in denen der anregende Terahertz-Puls nicht mehr mit der Probe wechselwirkte überhaupt“, erklärt Kovalev.

„Wir haben viele Faktoren, wie externe Magnetfelder und unterschiedliche Materialzusammensetzungen der Schichten, variiert, bis wir sicher zeigen konnten, dass es sich tatsächlich um die gesuchten Spinwellen handelt“, sagt Teamkollege Dr. Ruslan Salikhov, der an einem neuen Funktional arbeitet magnetische Materialien.

Für diese Umwandlung einer elektromagnetischen Welle in eine Spinwelle nutzte das Team eine ganze Reihe unterschiedlicher Quanteneffekte. Bildlich gesprochen sorgen diese Effekte dafür, dass sich Terahertzwelle und Spinwelle verstehen. Zunächst beschleunigt die Terahertz-Strahlung freie Elektronen im Schwermetall, wodurch sich mikroskopisch kleine Ströme bilden können.

Diese Ströme werden durch den sogenannten Spin-Hall-Effekt in Spinströme umgewandelt, also Ströme von Elektronen, die nur eine ganz bestimmte Spinorientierung haben und somit den resultierenden Drehimpuls im lokalen Raum transportieren können. An den Grenzflächen zwischen Schwermetall und Ferromagnet übt dieser Drehimpuls dann ein Drehmoment auf die Spins im Ferromagneten aus. Dieses Drehmoment liefert genau die Störung, die zur Bildung von Spinwellen führt.

Durch den Vergleich verschiedener Proben konnten die Wissenschaftler nun zeigen, dass das Terahertz-Feld selbst nicht in der Lage ist, direkt Spinwellen zu erzeugen. Nur der Umweg führt zum Erfolg. Damit konnten sie theoretische Vorhersagen über die Effizienz von Spin-Orbit-Drehmomenten auf Pikosekunden-Zeitskalen bestätigen.

Das neue Probensystem fungiert somit als Terahertz-getriebene Quelle von Spinwellen, die im Prinzip leicht in Schaltkreise integriert werden könnten. Diese Arbeit ist ein wichtiger Schritt hin zum Einsatz der Terahertz-Technologie in neuartigen elektronischen Bauteilen. Gleichzeitig eröffnet die demonstrierte Methode neue Möglichkeiten zur berührungslosen Charakterisierung von Spin-basierten Bauelementen.