Nanometer-dicke YIG-Funktionsschichten und Mikrostrukturen

Eine Störung in der lokalen magnetischen Ordnung eines Festkörpers kann sich wie eine Welle über ein Material ausbreiten. Diese Welle wird als Spinwelle bezeichnet, und ihre Quanten werden als Magnonen beschrieben. Physiker der Universität Wien erforschen die Möglichkeit, Informationen mit Magnonen statt mit Elektronen zu transportieren und zu verarbeiten, wie es in der Elektronik üblich ist. Diese Technologie eröffnet den Zugang zu einer neuen Generation von Computern, in denen Daten ohne Bewegung realer Partikel wie Elektronen verarbeitet werden. Dadurch können die damit verbundenen Wärmeverluste verhindert werden, was folglich zu einem geringeren Energieverbrauch führt. Darüber hinaus ermöglichen die einzigartigen Eigenschaften der Magnonen die Nutzung alternativer Rechenkonzepte, was zu einer drastischen Steigerung der Geschwindigkeit und Leistung gegenüber den üblichen, modernen Prozessoren führt.
Die Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien, die ein ideales Medium für die Aufnahme und Steuerung von Spinwellen darstellen, ist eine der größten Herausforderungen des modernen Magnetismus. Der magnetische Isolator Yttrium-Eisen-Granat (YIG) ist heute das Material der Wahl, da er die kleinste bekannte Spinwellen-Dämpfung besitzt und sich die Wellen über Distanzen bis hin zu einigen Zentimetern ausbreiten können. In den vorangegangenen Studien ist es uns gelungen, glatte und strukturell nahezu perfekte YIG-Schichten mit Dicken zwischen 10 nm und 100 nm zu entwickeln. Vor allem diese Dicken, die 100 000-mal kleiner sind als die Dicke einer 1-Cent-Münze, werden heute für die Entwicklung von Spinwellen-Geräten benötigt. Das Wachstum der Proben erfolgt mit Hilfe der sogenannten Flüssigphasen-Epitaxie-Technologie. Das YIG-Material wird in einer Schmelze ausgelöst und anschließend auf einem festen Substrat in der Schmelze aufgewachsen.
In diesem Projekt wollen die Teams aus Wien, Jena und Kaiserslautern gemeinsam den nächsten Schritt zu neuen Materialklassen gehen, die für eine moderne Datenverarbeitung, die auf Magnonen basiert, von entscheidender Bedeutung sind. Das erste Ziel dabei ist die Entwicklung eines neuen YIG-Typs mit antiferromagnetischen Eigenschaften und geringer magnetischer Dämpfung. Die antiferromagnetischen Materialien sind magnetisch, erzeugen aber keine Streufelder und haben daher Eigenschaften, die sich stark von den normalen Magneten unterscheiden. Das zweite Ziel des Projekts ist die Entwicklung dünner magnetischer Materialien mit umfangreichen, sogenannten magneto-optischen Wechselwirkungen. In solchen Materialien interagieren Spinwellen sehr effizient mit Licht, was es den Wissenschaftlern ermöglicht, mit einem Laserstrahl Spinwellen sowohl zu untersuchen als auch zu kontrollieren. Die neuartigen Materialien werden vom Jenaer Team entwickelt, von den Teams Kaiserslautern und Wien werden die Schichten charakterisiert und für die Entwicklung von Spinwellen-basierten Recheneinheiten benutzt.