Der Aufstieg des Underdogs: Ein vernachlässigter Mechanismus in Antiferromagneten könnte der Schlüssel zur Spintronik sein

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Wissenschaftler am Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) entdecken einen Mechanismus in Antiferromagneten, der für spintronische Geräte nützlich sein könnte.

Sie zeigen theoretisch und experimentell, dass eines der Magnetisierungsmomente, die durch optisch getriebene Anregungen entstehen, einen viel stärkeren Einfluss auf die Spinausrichtung hat, als bisher angenommen wurde.

Diese Erkenntnisse könnten einen neuen und hocheffizienten Mechanismus zur Manipulation des Spins liefern.
Weltweit werden enorme Anstrengungen in einem Technologiefeld unternommen, das die Möglichkeiten der herkömmlichen Elektronik weit übertreffen könnte: die Spintronik.

Anstatt auf der kollektiven Bewegung geladener Teilchen (Elektronen) zu basieren, könnten spintronische Geräte Speicher und Datenübertragung durch Manipulation des Spins durchführen, einer intrinsischen Eigenschaft von Elementarteilchen, die mit dem Drehimpuls zusammenhängt und von der viele magnetische Eigenschaften in Materialien herrühren. Leider hat sich die Kontrolle des Spins als schwieriges Unterfangen erwiesen, was Physiker und Ingenieure dazu veranlasst hat, nach effizienten Materialien und Techniken zu suchen, um dies zu erreichen.
In dieser Hinsicht sind antiferromagnetische Materialien (AFMs) gute Kandidaten für die Spintronik, da sie resistent gegen externe Magnetfelder sind und das Umschalten von Spinwerten in Zeitskalen von Pikosekunden ermöglichen. Eine vielversprechende Strategie zur Manipulation der Spinorientierung in AFMs ist die Verwendung eines optischen Lasers zur Erzeugung extrem kurzlebiger Magnetfeldpulse, ein Phänomen, das als inverser Faraday-Effekt (IFE) bekannt ist.

Obwohl der IFE in AFMs zwei sehr unterschiedliche Arten von Drehmoment (Rotationskraft) auf ihre Magnetisierung erzeugt, scheint es nun, dass der wichtigste der beiden in der Forschung irgendwie vernachlässigt wurde.

In einer kürzlich in Nature Communications veröffentlichten Studie hat sich ein Trio von Wissenschaftlern, darunter Professor Takuya Satoh von der Tokyo Tech, Japan, eingehend mit diesem Thema beschäftigt. Die Spin-Dynamik in AFMs wird durch eine Summe aus zwei Begriffen beschrieben: feldartiges Drehmoment und dämpfungsartiges Drehmoment (Abbildung 1).

Letzteres bezieht sich, wie das Wort “Dämpfung” schon andeutet, auf das allmähliche Abklingen (oder Absterben) der durch die optischen Pulse auf dem Material ausgelösten Spin-Oszillationen.
Bisher untersuchten Wissenschaftler das dämpfende Drehmoment nur aus der Perspektive der Spin-Relaxation nach der Anregung und gingen davon aus, dass seine Amplitude während des ultrakurzen Spin-Anregungsprozesses klein ist.

In dieser Studie fanden Prof. Satoh und Kollegen jedoch heraus, dass es in einigen Fällen der Hauptakteur in Bezug auf die Spin-Neuausrichtung durch die IFE ist.

Durch theoretische Analysen und experimentelle Verifizierung sowohl in YMnO3 als auch in HoMnO3 klärten sie die Bedingungen, unter denen der Dämpfungseffekt zum dominanten Spin-Anregungsmechanismus wird.
Eine vereinfachte Interpretation der Ergebnisse kann wie folgt lauten.

Man stelle sich ein hängendes Pendel (Magnetisierungsrichtung) vor, das in weiten Bögen schwingt und dabei eine sehr ausgeprägte Ellipse zeichnet.

Das dämpfungsbedingte Drehmoment erzeugt eine große momentane Störung in Richtung des kleinen Durchmessers, wodurch es “kippt” und sich wie ein Kreisel, der zu fallen droht, neigt. “Die ansonsten kleine dämpfungsbedingte Magnetisierung verursacht eine große Spin-Kippung aufgrund der extremen Elliptizität, die den AFMs innewohnt”, erklärt Prof. Satoh. “Wenn man bedenkt, dass es möglich ist, die Stärke der Dämpfung durch die strategische Auswahl der Ionen im AFM einzustellen, haben wir vielleicht einen Weg gefunden, die Materialeigenschaften für bestimmte spintronische Anwendungen abzustimmen”, fügt er hinzu.
Das Forschertrio testete auch, wie die Spindynamik durch die Temperatur beeinflusst wird, die die antiferromagnetische Ordnung jenseits bestimmter Schwellenwerte beeinflusst und sogar zerstört.

Indem sie die Materialien in die Nähe der kritischen Übergangspunkte brachten, gelang es ihnen, einen ausgeprägteren Effekt von dämpfendem Drehmoment zu erzeugen.

Aufgeregt über die Ergebnisse bemerkt Prof. Satoh: “Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass optisch erzeugte Drehmomente das lange gesuchte Werkzeug sein könnten, um ultraschnelle Spin-Schaltungen in AFMs effizient zu realisieren.”
Obwohl sicherlich noch viel mehr Forschung nötig sein wird, bevor die angewandte Spintronik Realität wird, ist die Aufdeckung effizienter Mechanismen für die Spin-Manipulation offensichtlich einer der ersten Schritte.

Diese Studie beweist, dass solche Mechanismen in Phänomenen versteckt sein können, die wir kennen und vernachlässigen!
Referenz: “Efficient spin excitation via ultrafast damping-like torques in antiferromagnetic” von Christian Tzschaschel, Takuya Satoh und Manfred Fiebig, 1. Dezember 2020, Nature Communications.DOI: 10.1038/s41467-020-19749-y

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