Topologische magnonische Nanokristalle

Schneller, kleiner, leistungsfähiger - dieses Motto des technischen Fortschritts führte zur Computerisierung und Automatisierung des Alltagslebens. Die moderne CMOS-Elektronik und -Kommunikationstechnologie hat jedoch mit grundlegenden Nachteilen zu kämpfen, die von relativ niedrigen Betriebsfrequenzen und der damit verbundenen begrenzten Geschwindigkeit der Datenverarbeitung bis hin zum hohen Stromverbrauch reichen. Wie können wir diese Probleme angehen?
Ein hervorragender Weg ist die Magnonik - ein fortschrittliches Gebiet, das den Informationstransport und die Informationsverarbeitung durch Spinwellen zusätzlich zu oder sogar anstelle von elektrischen Strömen untersucht. Eine Spinwelle ist eine kollektive Ausbreitung der magnetischen Momente von Atomen in einem Festkörper, vergleichbar mit einer Wasserwelle auf der Oberfläche eines Teiches. Ihre Grundeinheiten (oder Quanten) werden als Magnonen bezeichnet, was dem Feld seinen Namen gibt. Die Verwendung von Spinwellen ermöglicht höhere Betriebsfrequenzen als herkömmliche, geringe Energieverluste, keine Wärmeabgabe und einen niedrigen Stromverbrauch. Magnonics hat bereits erfolgreich Prototyp-Schaltkreiselemente entwickelt, von denen viele in Form von Submillimeter-Magnonenkristallen (MCs) - künstlichen magnetischen Materialien - ausgeführt sind. Um jedoch die moderne Technologie zu übertreffen, sollte die Größe der magnonischen Einheiten mindestens im Submikrometerbereich liegen. Am wichtigsten ist jedoch, dass dieses Gerät in einem so kleinen Maßstab zuverlässig funktioniert, da selbst kleine Unregelmäßigkeiten die Leistung beeinträchtigen könnten.
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, schlagen wir vor, Magnonik und Topologie zu kombinieren - ein Zweig der Mathematik, der die Eigenschaften von Materialien untersucht, die bei kontinuierlichen Transformationen unveränderlich sind. Eine solche Verbindung würde es ermöglichen, eine Struktur mit einer Reihe einzigartiger Eigenschaften analytisch vorherzusagen und zu realisieren, z. B. eine effiziente und verlustarme Ausbreitung oder Robustheit gegenüber Defekten. Ein strategisches Ziel des TopMag-Projekts ist daher die Erforschung des topologischen Magnonentransports mittels experimentell realisierter topologischer magnonischer Kristalle (TMC) auf der Nanoskala.
Dies ist ein höchst innovativer Ansatz, da die meisten Forschungsarbeiten im Bereich der topologischen Magnonik theoretischer Natur sind. Um unsere Hypothese zu testen, werden wir eine Reihe von modernen Nanofabrikationsinstrumenten einsetzen, um die Magnonenkristalle herzustellen. Anschließend werden wir eine breite Palette experimenteller Techniken zur Charakterisierung und Untersuchung des Magnonentransports einsetzen, ergänzt durch mikromagnetische Simulationen, die wertvolle Einblicke und Unterstützung für unsere Erkenntnisse liefern.