Ultraschnelle Kontrolle von Spins unter dem Mikroskop

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Forscherinnen und Forscher der EPFL haben eine neue Technik entwickelt, mit der die Rotation einer kleinen Anzahl von Spins, die in einer wirbelförmigen Textur angeordnet sind, mit der schnellsten je erreichten Geschwindigkeit sichtbar gemacht und gesteuert werden kann. Diese Entdeckung kann die "Spintronik" voranbringen, eine Technologie, die neuartige Computerspeicher, Logikgatter und hochpräzise Sensoren umfasst.

"Technologische Fortschritte in den Bereichen Rechnen, Datenspeicherung und Sensorik erfordern neue Techniken, um die magnetischen Eigenschaften von Materialien auf der Nanometerskala zu kontrollieren", sagt Professor Fabrizio Carbone von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL. Eine dieser Eigenschaften ist der "Spin", der sich auf die magnetische Ausrichtung der einzelnen Atome bezieht.

Der Spin hat in den letzten Jahren großes Interesse geweckt und die Entstehung des Bereichs der Spinelektronik oder "Spintronik" begünstigt. Neben der grundlegenden Untersuchung des Spins besteht das praktischere Ziel der Spintronik darin, nicht nur die Ladung der Elektronen - wie in der herkömmlichen Elektronik -, sondern auch ihren Spin zu nutzen und so einen zusätzlichen Freiheitsgrad hinzuzufügen, der die Effizienz der Datenspeicherung und -übertragung verbessern kann.

Dazu ist es jedoch zunächst erforderlich, eine kleine Anzahl von Spins kontrollieren zu können. "Die Visualisierung und deterministische Kontrolle einiger weniger Spins ist auf ultraschnellen Zeitskalen noch nicht gelungen", sagt Phoebe Tengdin, Postdoktorandin im Labor von Fabrizio Carbone, und verweist auf die sehr kurzen Zeiträume, in denen diese Kontrolle stattfinden muss, damit die Spintronik eines Tages den Sprung in die Anwendungen schafft.

Phoebe Tengdin sowie der Doktorand Benoit Truc und der Postdoc-Stipendiat Alexey Sapozhnik haben kürzlich eine neue Technik entwickelt, mit der die Rotation einer kleinen Anzahl von Spins, die in einer wirbelförmigen Textur angeordnet sind, sichtbar gemacht und kontrolliert werden kann - eine Art "Nanowirbel" aus Spins, der als Skyrmion bezeichnet wird.

Unsere Experimente zeigen, dass es möglich ist, eine kleine Anzahl von Spins mit sehr hoher Geschwindigkeit zu manipulieren und abzubilden, indem man einen Lichtstrahl mit mäßiger Intensität verwendet.


Dazu verwendeten die Wissenschaftler Sequenzen von Laserpulsen im Femtosekundenbereich (10-15 oder ein Billiardstel einer Sekunde). Indem sie die Laserpulse im richtigen Abstand zueinander platzierten, konnten sie die Rotation der Spins in einem Selen-Kupfer-Mineral steuern, das in der Domäne durch seine chemische Zusammensetzung Cu2OSeO3 bekannt ist. Dieses Mineral ist in der Spintronik sehr begehrt, da es eine ideale Testbank für die Untersuchung von Spins darstellt.

Bei der Steuerung der Spins mit Laserpulsen entdeckten die Forscherinnen und Forscher, dass sie sogar ihre Orientierung nach Belieben ändern konnten, indem sie einfach die Verzögerung zwischen aufeinanderfolgenden Steuerpulsen änderten und die Polarisation des Lasers anpassten.

Ein Ausschnitt, der die zeitliche Entwicklung der Spinverteilung (links) für eine Folge von Laserpulsen (rechts) zeigt. Credit: F. Carbone (EPFL)

Die Studie ging jedoch noch einen Schritt weiter. Mithilfe einer Art Transmissionselektronenmikroskop, das Dimensionen im Nanometerbereich "sehen" kann, war das Team auch in der Lage, Spinveränderungen abzubilden. Diese Entdeckung hat immense Auswirkungen auf die grundlegenden Aspekte der Spintronik.

Diese Arbeiten bieten dem Fachgebiet ein neues Protokoll zur Steuerung magnetischer Texturen auf ultraschnellen Zeitskalen und eröffnen spannende neue Perspektiven für Spinschalter in Datenspeichergeräten der nächsten Generation.

"Unsere Experimente zeigen, dass es möglich ist, eine kleine Anzahl von Spins mit sehr hoher Geschwindigkeit zu manipulieren und abzubilden, indem man einen Lichtstrahl mit mäßiger Intensität verwendet", erklärt Phoebe Tengdin. "Ein solcher Effekt kann in ultraschnellen, stromsparenden Geräten, die mit Spins arbeiten, ausgenutzt werden. Neue Arten von Speichern oder Logikgattern sind mögliche Kandidaten, ebenso wie hochpräzise Sensoren."

Andere Mitwirkende

  • Anhui-Universität
  • Labor für Quantenmessungen der EPFL
  • Kristallzuchtanlage der EPFL
  • Labor für nanostrukturierte magnetische und magnonische Materialien der EPFL.
  • Universität von New Hampshire
  • Universität Köln
Referenzen

Phoebe Tengdin, Benoit Truc, Alexey Sapozhnik, Lingyao Kong, Nina del Ser, Simone Gargiulo, Ivan Madan, Thomas Schönenberger, Priya R. Baral, Ping Che, Arnaud Magrez, Dirk Grundler, Henrik M. Rønnow, Thomas Lagrange, Jiadong Zang, Achim Rosch, Fabrizio Carbone. Imaging the ultrafast coherent control of a skyrmion crystal. Physical Review X, 20. Dezember 2022. DOI: 10.1103/PhysRevX.12.041030