Manipulation von Spinwellen in ferromagnetischen Mikrostrukt

Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden die Computer drastisch verkleinert. Wenn eine elektrische Ladung für die Informationsübertragung verwendet wird, können eine Reihe von Problemen auftreten, die eine effektive Arbeit solcher logischen Geräte verhindern. Aus diesem Grund wird aktiv nach neuen Wegen der Informationsverarbeitung geforscht. Einer der vielversprechenden Kandidaten sind Spinwellen oder Magnonen. Sie ermöglichen die Übertragung von Informationen unter Ausnutzung rein magnetischer Eigenschaften der Materialien. Letzteres bietet die Möglichkeit, größere Mengen an Informationen viel schneller zu übertragen als mit elektrischer Ladung. Bevor es jedoch zu einer echten Anwendung kommt, ist gründliche Grundlagenforschung von größter Bedeutung. Ein breites Spektrum geometrischer Systeme aus verschiedenen Materialien, die sich für die Übertragung von Spinwellen eignen, wurde bereits untersucht, darunter dünne Filme im Nanometerbereich, mehrschichtige Nanostrukturen, magnetische Kristalle, magnetische Wellenleiter und begrenzte Mikrostrukturen. In diesem Projekt liegt der Schwerpunkt auf einem grundlegenden Verständnis der dynamischen magnetischen Eigenschaften von endlichen Strukturen, da dies eine Voraussetzung für die Entwicklung von magnetischen Rechengeräten im Nanomaßstab ist. In früheren Forschungsarbeiten des Projektleiters konnte gezeigt werden, dass die Variation der Geometrie von Bauelementen möglicherweise zur Manipulation von Spinwellen genutzt werden kann. Dieses Prinzip soll im Rahmen des Projekts genutzt werden. Der Einfluss der Bauteilform wird systematisch mit experimentellen und theoretischen Ansätzen untersucht, um Spinwellen in begrenzten Strukturen mit einem einfachen Anregungsschema kontrolliert anregen und manipulieren zu können.

Um die Energiekrise der nahen Zukunft zu verhindern, muss bereits jetzt nach neuen Ansätzen in der Technologieentwicklung gesucht werden. Einer der größten Beiträge dazu leistet derzeit die Informatik. Moderne Computertechnologien wie künstliche Intelligenz (KI) haben moderne Geräte und die Datenverarbeitung mit verbesserten Funktionen ausgestattet, aber auch der Gesamtenergieverbrauch durch Allzweckcomputer wächst weiterhin exponentiell und verdoppelt sich etwa alle drei Jahre, während die weltweite Energieproduktion nur linear um etwa 2 % pro Jahr wächst. Man kann dieses Problem beispielsweise durch die Optimierung von Rechenstrategien angehen, wie es bereits aktiv für KI erforscht wird, den sogenannten KI-Forschungsstrategien. Eine andere Möglichkeit wäre, Rechnergeräte energieeffizienter zu machen. Magnonik ist in dieser Hinsicht ein vielversprechendes Forschungsgebiet, da es Spinwellen (Magnonen), also rein magnetische Wellen, für den Transport und die Verarbeitung von Informationen nutzt. Neben anderen vorteilhaften Eigenschaften können magnonische Geräte auf atomare Dimensionen verkleinert werden, in einem breiten Frequenzbereich bis zu Hunderten von Terahertz betrieben werden und Daten bei Temperaturen von extrem niedrig bis Raumtemperatur verarbeiten. Darüber hinaus können Spinwellen Daten ohne Joule'sche Erwärmung übertragen und aufgrund ihrer nichtlinearen Eigenschaften unkonventionelles Rechnen ermöglichen. Darüber hinaus besteht ein zunehmendes Interesse an der Untersuchung von Spinwellen in verschiedenen Geometrien, einschließlich gekrümmter Strukturen, da 3D-Krümmungen aufgrund des Zusammenspiels von Krümmung, Topologie und magnetischen Wechselwirkungen einzigartige magnetische Eigenschaften und neuartige Phänomene hervorrufen können. Es ist möglich, Spinwellen allein durch Veränderung der Form eines Drahtes, in dem sie angeregt werden, zu steuern, wie im Rahmen des ESP-4-Projekts erforscht und gezeigt wurde. Spinwellen wurden mithilfe mikromagnetischer Simulationen sowie Labor- und Synchrotronmessungen untersucht. Es zeigte sich beispielsweise, dass durch die Anordnung zweier Mikrodrähte nebeneinander die Bewegung einer Spinwelle beeinflusst werden kann. Verschiedene Drahtformen wurden untersucht und die Ergebnisse wurden in Form eines Wissenschaftskommunikationsprojekts mit dem Titel "Spin-Wave Voices" auf der jährlichen internationalen Digitalkunstausstellung Ars Electronica Festival im Jahr 2022 (https://ars.electronica.art/planetb/en/spin-wave-voices/) und auf der Ausstellung Data Doom Desire im Jahr 2024 (https://ail) präsentiert. angewandte.at/explore/exhibition-view:-data-doom-desire/). Darüber hinaus wurde das Verhalten von Spinwellen im Zeitverlauf vom Moment ihrer Anregung bis zur Bildung eines stabilen Zustands untersucht. Dieser Prozess dauert Nanosekunden und zeigt, wie Spinwellen für ultraschnelle Geräte genutzt werden können.