Supraleitende Elektrode steuert Spinwellen in einem Magneten – Physics World

Supraleitende Elektrode steuert Spinwellen in einem Magneten – Physics World

Zeitstempel: 21. Dezember 2023, 5:00 Uhr

Abbildung zweier Goldelektroden auf einer dünnen Magnetschicht
Eine Illustration des Experiments, die zwei Goldelektroden auf einer dünnen magnetischen Schicht zeigt. In der Mitte liegt eine supraleitende Elektrode. Mit der linken Goldelektrode erzeugen die Forscher Spinwellen im magnetischen Material, die sich nach rechts ausbreiten. Auf den Elektroden befindet sich eine quadratische Diamantmembran, die den Forschern einen Blick durch die supraleitende Elektrode ermöglicht. (Mit freundlicher Genehmigung von Michael Borst, TU Delft)

Durch die Platzierung einer supraleitenden Elektrode auf einem dünnen Magneten ist es möglich, sogenannte „Spinwellen“ innerhalb des Magneten einfach durch Änderung der Temperatur der Elektrode zu manipulieren und zu kontrollieren. Dieses Ergebnis von Quantenphysikern der Technischen Universität Delft in den Niederlanden könnte die Entwicklung spintronischer Geräte vorantreiben, die sowohl den Spin eines Elektrons als auch seine Ladung nutzen.

Spinwellen sind kollektive Schwingungen magnetischer Ordnung in magnetischen Materialien, und sie sind für die Spintronik vielversprechend, da sie sich in einigen Medien mit sehr geringen Verlusten Millimeter oder sogar Zentimeter ausbreiten können. Das bedeutet, dass sie elektrische Signale über große Entfernungen übertragen könnten und dabei weniger Energie verbrauchen als herkömmliche Elektronik. Sie können auch manipuliert werden, um viele Berechnungen oder Operationen durchzuführen, bevor das Signal von ihnen abklingt, was für praktische Geräte wichtig ist.

Das Hauptproblem bei Spinwellen besteht darin, dass sie schwer zu kontrollieren sind. Forscher unter der Leitung von Toeno van der Sar und Michael Borst haben nun gezeigt, dass dies in einer magnetischen Dünnschicht mithilfe eines Supraleiters möglich ist. In ihrer Studie, die sie beschreiben in Wissenschaft, Sie begannen mit einem Chip, der mit einem dünnen magnetischen Film aus Yttrium-Eisen-Granat (YIG) bedeckt war. Auf dieser Folie platzierten sie eine Goldelektrode, mit der sie Spinwellen im YIG anregten. Anschließend platzierten sie eine supraleitende Elektrode neben der Goldelektrode und untersuchten, wie sich die Spinwellen darunter ausbreiten.

Kontrollieren, wo und wie sich die Spinwellen ausbreiten

Während die Theorie vorhersagt, dass normale (nicht supraleitende) Metallelektroden in der Lage sein sollten, die Wellenlänge und Ausbreitung von Spinwellen zu kontrollieren, ergab die frühere Arbeit der Gruppe, dass solche Elektroden „in erster Linie Spinwellen dämpfen und diese Kontrolle überhaupt nicht bieten“. Borst erklärt. Er und seine Kollegen waren daher sehr daran interessiert herauszufinden, ob ein Supraleiter ein anderes Ergebnis liefern würde – was auch der Fall war.

„Damit die Elektrode supraleitend wurde, kühlten wir den Chip auf unter 9 K ab und als dies der Fall war, beobachteten wir plötzlich eine dramatische Änderung der Spinwellenlänge“, sagt Borst. „Wir haben herausgefunden, dass wir diese Wellenlänge durch Änderung der Temperatur der Elektrode genau einstellen können. Und indem wir einen Temperaturgradienten in der Elektrode erzeugen, könnten wir steuern, wo und wie sich die Spinwellen ausbreiten.“

Überwachung der Ausbreitung

Eine große Herausforderung, die das Team bewältigen musste, bestand darin, eine Möglichkeit zu finden, die Ausbreitung von Spinwellen unter der Elektrode zu überwachen. Dies ist keine leichte Aufgabe, aber die Forscher haben sie gelöst, indem sie einen einzigartigen Magnetfeldsensor entwickelt haben, der auf Elektronenspins in Diamant basiert und es ihnen ermöglicht, die Spinwellen direkt zu beobachten. „Dies ist eine leistungsstarke Technik, die sich in Zukunft sicherlich für die Charakterisierung komplexerer metallbeschichteter Spinwellengeräte als nützlich erweisen wird“, sagt Borst Physik-Welt.

Nach Angaben des Team der Technischen Universität Delft, könnte die neue Arbeit es ermöglichen, viele Arten von Spinwellenschaltungen und -geräten zu schaffen, wie zum Beispiel Spinwellenhohlräume auf dem Chip, Spinwellenreflektoren und Spinwellengitter.

„Interessanterweise können wir durch die Untersuchung dieser Wellen auch etwas über wichtige Eigenschaften des Supraleiters lernen“, sagt Borst. „Tatsächlich haben wir dies gezeigt, indem wir einen solchen grundlegenden Parameter, die Londoner Eindringtiefe des Supraleiters (die Tiefe, in der ein externes Magnetfeld in einen Supraleiter eindringt), als Funktion der Temperatur kartieren.“

Mit Blick auf die Zukunft erarbeiten die Forscher nun Möglichkeiten zur Entwicklung realer Spinwellengeräte und untersuchen, wie der Supraleiter mit verschiedenen Arten von Spinwellen interagiert. „Außerdem möchten wir unsere Kontrolle über die Spinwellenausbreitung verbessern, indem wir komplexe Temperaturgradienten in der supraleitenden Elektrode einführen“, sagt Borst.

Zeitstempel:

Mehr von Physik-Welt