Nichtreziprokal 3D-Architekturen für magnonische Funktionen

Unser Projekt, Non-Reciprocal 3D Architectures for Magnonic Functionalities, konzentriert sich speziell auf die Untersuchung neuartiger nicht-reziproker Magnon-Phänomene in 2D- und 3D-Hybridarchitekturen auf der Nanoskala und trägt direkt zur Entwicklung von nicht-reziproken Mikrowellenbauelementen und Sensoren bei.

Nicht-reziproke Mikrowellenkomponenten, wie Zirkulatoren, Isolatoren und Phasenschieber, sind sowohl in heutigen Kommunikationssystemen als auch in zukünftigen Quantencomputern von unschätzbarem Wert. Ihre Fähigkeit, den Signalfluss in einer Richtung zu hemmen, während sie ihn in der umgekehrten Richtung zulassen, spielt eine entscheidende Rolle, um Mikrowellengeräte entweder vor Reflexionen zu schützen, den Sender vom Empfänger in der Radararchitektur zu isolieren oder Qubits von ihrer Umgebung abzuschirmen. Diese nicht-reziproken Funktionalitäten beruhen fast ausschließlich auf der gyrotropischen Natur der Magnetisierungsdynamik. Allerdings sind die derzeit verwendeten magnetfeldbasierten Komponenten relativ groß, off-chip, in der Anzahl begrenzt und teuer in der Montage. Diese Probleme haben in der letzten Zeit intensive Anstrengungen aus verschiedenen Forschungsbereichen ausgelöst, um miniaturisierte, nichtreziproke Technologien zu entwickeln, die mit modernen Geräten verwendeten integrierten Schaltungstechnik kompatibel sind.

Unter all den möglichen Lösungen für diese Herausforderung ist der aufstrebende Bereich der Magnonik, der sich auf die Umsetzung elementarer magnetischer Anregungen, Spinwellen genannt, und deren Quantenmagneten bestens geeignet. Dieser Bereich ist auf der Jagd nach Demonstrationen von nicht-reziproker Eigenschaften, die schon vor kurzem erfolgreiche Ergebnisse lieferten. Darüber hinaus ist die Magnonik ein schnell wachsendes Feld mit vielversprechenden Möglichkeiten für neuartige Rechen- und Datenverarbeitungsansätze, verbesserte Leistungsaufnahme und erlaubt die Miniaturisierung von breitbandigen analogen Mikrowellenbauelementen mit Designs unter 100 Nanometern.

Um in diese spannende Richtung voranzuschreiten, planen wir einen multidisziplinären Ansatz, der mikromagnetische Finite-Elemente-Simulationen in Kombination mit analytischen Modellen umfasst, um Architekturen mit den angestrebten Phänomenen zu finden. Diese Architekturen werden es uns ermöglichen, die oben genannten nicht-reziproken Mikrowellengeräte und Sensoren zu entwickeln. Diese werden mit Hilfe modernster Nanostrukturierungsmethoden in einer Reinraumumgebung hergestellt und mit verschiedenen komplementären experimentellen Techniken wie der optischen Spektroskopie und mittels Spinwellen-Spektroskopie bei Raum- und Tieftemperatur gemessen.

Die vier Partnerteams, dieses österreichisch-französischen Kooperationsprojektes, weisen ergänzenden Kompetenzen auf und haben nachgewiesene Erfolge exzellenter wissenschaftlicher Forschung. Die französischen Teams werden von Vincent Vlaminck (Koordinator von der ANR-Seite) vom Institut Mines Télécom- Atlantique und von Yves Henry vom Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg geleitet. Die österreichischen Teams werden durch Andrii Chumak (Koordinator von FWF-Seite) und Dieter Suess vertreten, die jeweils eigene Forschungsgruppen an der Universität Wien leiten.