Nanometer-dicke YIG-Funktionsschichten und Mikrostrukturen

Eine Störung in der lokalen magnetischen Ordnung eines Festkörpers kann sich wie eine Welle über ein Material ausbreiten. Diese Welle wird als Spinwelle bezeichnet, und ihre Quanten werden als Magnonen beschrieben. Physiker der Universität Wien erforschen die Möglichkeit, Informationen mit Magnonen statt mit Elektronen zu transportieren und zu verarbeiten, wie es in der Elektronik üblich ist. Diese Technologie eröffnet den Zugang zu einer neuen Generation von Computern, in denen Daten ohne Bewegung realer Partikel wie Elektronen verarbeitet werden. Dadurch können die damit verbundenen Wärmeverluste verhindert werden, was folglich zu einem geringeren Energieverbrauch führt. Darüber hinaus ermöglichen die einzigartigen Eigenschaften der Magnonen die Nutzung alternativer Rechenkonzepte, was zu einer drastischen Steigerung der Geschwindigkeit und Leistung gegenüber den üblichen, modernen Prozessoren führt. Die Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien, die ein ideales Medium für die Aufnahme und Steuerung von Spinwellen darstellen, ist eine der größten Herausforderungen des modernen Magnetismus. Der magnetische Isolator Yttrium-Eisen-Granat (YIG) ist heute das Material der Wahl, da er die kleinste bekannte Spinwellen-Dämpfung besitzt und sich die Wellen über Distanzen bis hin zu einigen Zentimetern ausbreiten können. In den vorangegangenen Studien ist es uns gelungen, glatte und strukturell nahezu perfekte YIG- Schichten mit Dicken zwischen 10 nm und 100 nm zu entwickeln. Vor allem diese Dicken, die 100 000-mal kleiner sind als die Dicke einer 1-Cent-Münze, werden heute für die Entwicklung von Spinwellen-Geräten benötigt. Das Wachstum der Proben erfolgt mit Hilfe der sogenannten Flüssigphasen-Epitaxie-Technologie. Das YIG-Material wird in einer Schmelze ausgelöst und anschließend auf einem festen Substrat in der Schmelze aufgewachsen. In diesem Projekt wollen die Teams aus Wien, Jena und Kaiserslautern gemeinsam den nächsten Schritt zu neuen Materialklassen gehen, die für eine moderne Datenverarbeitung, die auf Magnonen basiert, von entscheidender Bedeutung sind. Das erste Ziel dabei ist die Entwicklung eines neuen YIG-Typs mit antiferromagnetischen Eigenschaften und geringer magnetischer Dämpfung. Die antiferromagnetischen Materialien sind magnetisch, erzeugen aber keine Streufelder und haben daher Eigenschaften, die sich stark von den normalen Magneten unterscheiden. Das zweite Ziel des Projekts ist die Entwicklung dünner magnetischer Materialien mit umfangreichen, sogenannten magneto-optischen Wechselwirkungen. In solchen Materialien interagieren Spinwellen sehr effizient mit Licht, was es den Wissenschaftlern ermöglicht, mit einem Laserstrahl Spinwellen sowohl zu untersuchen als auch zu kontrollieren. Die neuartigen Materialien werden vom Jenaer Team entwickelt, von den Teams Kaiserslautern und Wien werden die Schichten charakterisiert und für die Entwicklung von Spinwellen-basierten Recheneinheiten benutzt.

Eine Störung der lokalen magnetischen Ordnung eines Festkörpers kann sich wie eine Welle über ein Material ausbreiten. Diese Welle wird als Spinwelle bezeichnet, und ihre Quanten werden als Magnonen bezeichnet. Physiker der Universität Wien schlagen die Verwendung von Magnonen zur Übertragung und Verarbeitung von Informationen anstelle von Elektronen wie in der Elektronik vor. Diese Technologie eröffnet den Zugang zu einer neuen Generation von Computern, in denen Daten ohne die Bewegung von realen Teilchen wie Elektronen verarbeitet werden. Dies verhindert den damit verbundenen Wärmeverlust und führt folglich zu einem geringeren Energieverbrauch. Darüber hinaus ermöglichen die einzigartigen Magnoneneigenschaften die Nutzung alternativer Computerkonzepte, was zu einer drastischen Steigerung der Geschwindigkeit und Leistung im Vergleich zu modernen Prozessoren führt. Die Entwicklung neuartiger magnetischer Materialien, die ein ideales Medium für die Beherbergung und Kontrolle von Spinwellen wären, ist eine der größten Herausforderungen des modernen Magnetismus. Der magnetische Isolator Yttrium-Eisen-Granat (YIG) ist heute das Material der Wahl, da er die geringste bekannte Dämpfung für Spinwellen besitzt und die Wellen sich in ihm bis in den Zentimeterbereich ausbreiten können.Das durchgeführte Projekt demonstriert die Entwicklung von nanometerdicken Yttrium-Eisen-Granat (YIG)- und Gallium-substituierten YIG (Ga:YIG)-Schichten für Isolatoren-basierte spintronische Anwendungen, die mittels Flüssigphasen-Epitaxie-Technik (LPE) gezüchtet wurden. Drei Forschungsteams bearbeiteten das Projekt: Die LPE-Wachstumsmethodik wurde bei INNOVENT in Jena etabliert und optimiert und die Proben wurden an der TU Kaiserslautern und der Universität Wien eingehend charakterisiert und für die angewandte Forschung eingesetzt. Zu den Erfolgen gehören: (i) die Entwicklung von Methoden zur Herstellung von nanometerdicken YIG- und YIG-basierten Schichten mit hoher Qualität und hervorragenden Mikrowelleneigenschaften; (ii) die Entdeckung eines neuen physikalischen Phänomens der Bose-Einstein-Kondensation (BEC), das durch schnelle Abkühlung ausgelöst wird, und Mittel zu seiner Kontrolle; (iii) die erfolgreiche Nanostrukturierung der nm-dicken Schichten und die Untersuchung ihrer Spin-Wellen-Dispersion; (iv) die Entdeckung von schnellen isotropen Austausch-Spinwellen und von Magnonic-Foldover-Effekten in teilweise magnetisch kompensierten Ga:YIG-Dünnschichten gefolgt von der Herstellung von Logikbauelement-Prototypen; (v) Entwicklung von magnetisch kompensierten GaLa:YIG-Schichten mit robuster magnetischer Anisotropie in der Ebene (IMA); (vi) Nachweis der nichtlinearen Anregung von selbstnormierten Austausch-Spinwellen; (vii) Beobachtung von sich ausbreitenden Spinwellen in einem weiten Temperaturbereich von Millikelvin bis Raumtemperatur; (viii) parametrische Erzeugung von Spinwellen in nanoskaligen YIG-Magnonikleitungen (ix) Entwurf eines Prototyps für Spinwellenlogik und Datenverarbeitung im Nanomaßstab (magnetischer Richtkoppler). Diese funktionalen Schichten und mikrostrukturierten Oberflächen stehen nun für die Herstellung einer Vielzahl von magnetischen Bauelementen für die digitale und analoge Informationsübertragung und -verarbeitung zur Verfügung, die sich für boolesche oder wellenbasierte, neuromorphe und nicht-boolesche Bauelemente für konventionelle und unkonventionelle Computeranwendungen eignen und die fortschrittlichste digitale Technologieplattform der CMOS-Architektur ergänzen.