Forschungsbericht 2013 - Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik

Ultraschnelle Magnonen für Spintronik

Autoren
Zakeri Lori, Khalil; Zhang, Yu; Chuang, Tzu-Hung; Kirschner, Jürgen
Abteilungen
Experimentelle Abteilung I (Jürgen Kirschner)
Zusammenfassung
Magnonen sind Anregungen in einem magnetischen Festkörper, die sich wellenartig ausbreiten. Wie andere Wellen, können die Magnonen eventuell dazu genutzt werden, Informationen zu übertragen. Die Untersuchung von Wellenlänge, Frequenz und Lebensdauer von Magnonen in magnetischen Festkörpern, stellt ein wichtiges Forschungsgebiet dar. Am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik werden dazu die Eigenschaften von Magnonen an ferromagnetischen Oberflächen, mithilfe der spinpolarisierten Elektronenspektroskopie, studiert.

Viele Eigenschaften von Festkörpern werden wesentlich durch die Eigenschaften von Elektronen bestimmt. Elektronen besitzen einen inneren Drehimpuls – den Spin – über den jedes Elektron zu einer Art Punktmagnet wird. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Spin nur streng im Rahmen der Anwendung der Relativitätstheorie auf die Quantenmechanik erklärt werden kann. Man kann ihn sich vereinfacht als eine Art Eigendrehung des Elektrons vorstellen. Eine quantenmechanische Besonderheit ist dabei, dass man bei jedem Elektron bezüglich einer definierten Achse immer nur zwei mögliche Werte für den Spin messen kann: Spin-up oder Spin-down. Die Wechselwirkung zwischen den Elektronen spielt eine große Rolle in einer Vielzahl von komplexen Phänomenen in Festkörpern, wie zum Beispiel dem Magnetismus. Beim Ferromagnetismus sind die Spins parallel zueinander ausgerichtet, wodurch die Makroskopische Magnetisierung aufgebaut wird. Als Magnon bezeichnet man den elementaren Anregungszustand einer magnetischen Spinwelle in einem magnetischen Festkörper.

Da Elektronen geladene Teilchen sind, stellt zum Beispiel die Bahnbewegung der Elektronen um die Atomrümpfe einen kleinen Strom dar, der wiederum nach dem Prinzip des Elektromagneten auch ein Magnetfeld erzeugt. Die Wechselwirkung zwischen den Spins der Elektronen und dem Magnetfeld, erzeugt durch die Bahnbewegung der Elektronen, nennt man Spin-Bahn-Kopplung [1].

An der Oberfläche eines Ferromagnetischen Festkörpers ist die Inversionssymmetrie naturgemäß gebrochen (strukturelle Inversionsasymmetrie) und die Spin-Bahn-Kopplung kann im Prinzip zu exotischen Eigenschaften der Oberflächen-Magnonen führen. Es konnte am MPI für Mikrostrukturphysik nachgewiesen werden, dass die Spin-Bahn-Kopplung die Gruppen- und Phasengeschwindigkeit, die Lebensdauer und die Amplitude der Magnonen beeinflusst, welche sich entlang zweier verschiedener Richtungen senkrecht zur Magnetisierung ausbreiten. Diese Entdeckung inspiriert zu Ideen für die Entwicklung neuer Spintronik Bauelemente, die nicht mit Elektronen sondern mit Magnonen arbeiten.

Anregung von Magnonen

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Abb. 1: Physikalisches Prinzip von SPEELS: trifft ein Elektron mit Spin-down (rot) auf die Oberfläche eines Materials mit magnetischer Ordnung (kleine blaue Pfeile), regt es ein Magnon an und wird durch ein Elektron mit Spin-up (blau) ausgetauscht.

Magnonen mit hohen Wellenvektoren können an Oberflächen mithilfe der spinpolarisierten Elektronenenergieverlustspektroskopie (spin-polarized electron energy loss spectroscopy, kurz SPEELS) untersucht werden. In diesem Experiment trifft ein Elektron mit Spin-down-Zustand auf die Oberfläche eines Materials mit magnetischer Ordnung, regt ein Magnon an und wird durch ein Elektron mit Spin-up-Zustand ausgetauscht (Abb. 1). Diese Methode wurde vor einigen Jahren am MPI für Mikrostrukturphysik in Halle entwickelt [2]. Hierdurch werden die Eigenschaften von Magnonen an ferromagnetischen Oberflächen untersucht.

Die Dispersionsrelation für Magnonen

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Abb. 2: (a) Die Dispersionrelation der Oberflächen-Magnonen. Die Experimente wurden auf einer zwei Atomlagen dicken Eisenschicht auf Wolfram-(110) und für zwei Magnetisierungsrichtungen durchgeführt. (b) Die Aufspaltung der Magnonen Energien für entgegengesetzte Ausbreitungsrichtungen.

Durch die Änderung der Streugeometrie d. h. Änderung des Winkels zwischen dem einfallenden und ausgehenden Elektronenstrahl, kann man Magnonen mit verschiedenen Wellenvektoren anregen. Durch die Energieverluste von Elektronen nach dem Streuprozess, kann man die Energien von angeregten Magnonen messen. Abbildung 2 zeigt die sogenannte Dispersionrelation, welche die Energie (Eigenfrequnz) der Magnonen mit ihrem Wellenvektor verknüpft. Man sieht, dass die Dispersionsrelation nicht vollständig symmetrisch ist (die blaue Kurve ist ein wenig nach links gekippt). Das heißt, die Eigenschaften der Magnonen die sich nach links ausbreiten sind nicht gleich mit denjenigen, die sich nach rechts ausbreiten, obwohl die Kristallstruktur völlig symmetrisch ist. Um zu zeigen, dass dieser Effekt ein intrinsischer Effekt ist, kann man die Magnetisierung der Probe in die entgegengesetzte Richtung schalten. Abbildung 2 zeigt, dass sich das Vorzeichen der Asymmetrie in der Dispersionsrelation umkehrt (die rote Kurve ist ein wenig nach rechts gekippt) [3,4]. 

Magnonen als Wellenpakete

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Abb. 3: Darstellung der Ausbreitung von zwei Magnonen-Wellenpaketen mit einer Energie von 46,5 Milielektronenvolt (Eigenfrequenz von 70 Terahertz) in realer Zeit und realem Raum. Die Wellenpakete beginnen mit der Ausbreitung bei t = 0 mit der maximalen Amplitude bei x = 0. Das rote Wellenpaket mit kleinerer Amplitude breitet sich entlang der [100]-Richtung aus und das blaue Wellenpaket mit größerer Amplitude entgegengesetzt. Die vertikalen grauen Linien zeigen den Masseschwerpunkt der Wellenpakete.

Die experimentellen Ergebnisse beschreiben die Magnonen im reziproken Raum (Abb. 2). Durch eine Fourier-Transformation kann man die Magnonen im realen Raum darstellen. Da die Magnonen eine Art von quantisierter Welle sind, können sie durch ein Wellenpaket dargestellt werden. Informationen wie z. B. die Lebensdauer oder die Gruppen- und Phasengeschwindigkeit können aus der Dispersionsrelation (Abb. 2) extrahiert werden. Ein Beispiel ist in Abbildung 3 gezeigt, wo sich zwei Wellenpakete mit einer Energie von 46,5 Millielektronenvolt (Eigenfrequenz von 70 Terahertz) entlang entgegengesetzter Richtungen ausbreiten. Die Lebensdauer, die Amplitude, der Wellenvektor sowie die Gruppen- und Phasengeschwindigkeit der Wellenpakete sind aus experimentellen Messungen abgeleitet. Da sie unterschiedlich sind, breiten sich die Wellenpakete unterschiedlich aus. Diese Unterschiede sind die Folge von Spin-Bahn-Kopplung und struktureller Inversionsasymmetrie [4].

Dieser Effekt kann im Prinzip für weitere Anwendungen genutzt werden. Das einfachste Bauelement, das mit diesem Prinzip fuktionieren kann, ist ein „Magnonischer“ Schalter (Abb. 4). Man kann ihn sich wie folgt vorstellen: Die Magnonen auf einer ferromagnetischen Oberfläsche werden angeregt, gleichzeitig werden zwei Wellenpakete erzeugt, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Aufgrund der Spin-Bahn-induzierten Effekte besitzt das Wellenpaket, das sich nach links (Station A) ausbreitet eine größere Amplitude und eine längere Lebensdauer. Dasjenige, dass sich nach rechts (Station B) ausbreitet besitzt eine kleinere Amplitude und eine kürzere Lebensdauer. Wenn das Magnon-Wellenpaket an der linken Station ankommt, kann es detektiert werden. Es kann kein Magnon-Signal an der anderen Station detektiert werden. Dieser Zustand kann als A:AN und B:AUS definiert werden. Das Schalten von einem in den anderen Zustand kann durch die Umkehr der Magnetisierung realisiert werden. Da die Wellenlänge der Magnonen im Nanometerbereich liegt, ist eine Signalverarbeitung in diesem Bereich möglich.

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Abb. 4: Ein magnetischer Schalter basierend auf Magnonen. (a) Magnetisierung ist zum Beobachter hin ausgerichtet. In diesem Fall wird ein Magnon-Signal an Station A ankommen und kein Magnon-Signal an Station B (A: An, B: Aus). (b) Magnetisierung ist vom Beobachter weg ausgerichtet. In diesem Fall wird das Signal nur an Station B ankommen (A: Aus, B: An).

Zusammenfassung

Die Magnonen an ferromagnetischen Oberflächen können mithilfe von Spin-polarisierten Elektronen angeregt und detektiert werden. Der Effekt der Spin-Bahn-Kopplung spielt eine zentrale Rolle für die Eigenschaften der Oberflächen-Magnonen. Die Entdeckung des Einflusses der relativistischen Spin-Bahn-Effekte auf Spinanregungen ermöglicht ein tieferes Verständnis des Magnetismus auf der Nanometerskala. Darüber hinaus hat der entdeckte Effekt das Potenzial, die Technik der Magnetischen Bauelemente zu revolutionieren.

Literaturhinweise

1.
Winkler, R.
Spin-orbit coupling effects in two-dimensional electron and hole systems
Springer, Berlin (2003)
2.
Ibach, H.; Bruchmann, D.; Vollmer, R.; Etzkorn, M.; Kumar, P. S. A.; Kirschner, J.
A novel spectrometer for spin-polarized electron energy-loss spectroscopy
Review of Scientific Instruments 74, 4089-4095 (2003)
3.
Zakeri, Kh.; Zhang, Y.; Prokop, J.; Chuang, T.-H.; Sakr, N.; Tang, W. X.; Kirschner, J.
Asymmetric spin-wave dispersion on Fe(110): direct evidence of the Dzyaloshinskii–Moriya interaction
Physical Review Letters 104, 137203 (2010)
4.
Zakeri Kh., Y. Zhang, T.-H. Chuang and J. Kirschner
Magnon lifetimes on the Fe(110) surface: the role of spin-orbit coupling
Physical Review Letters 108, 197205 (2012)
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