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Novel Wave Phenomena in Magnetic Nanostructures

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Magnetwellen für neue Geräte

Die Magnonik ist ein aufkommendes und schnell wachsendes Forschungsfeld und befasst sich mit magnetischen Phänomenen im Zusammenhang mit Spinwellen, der magnetischen Entsprechung zu Ton- und Lichtwellen. EU-finanzierte Wissenschaftler haben das Wissen in diesem Bereich erweitert und Fortschritte in Richtung eines neuen Typs von Metamaterialien gemacht - den sogenannten magnonischen Metamaterialien.

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Natürliche Materialien interagieren mit elektromagnetischer Strahlung aufgrund ihrer Ladung, auch wenn sie insgesamt neutral sind. Allerdings finden auch Wechselwirkungen mit elektromagnetischer Strahlung aufgrund des Spins statt, einer grundlegenden Eigenschaft von Elementarteilchen. Insbesondere haben einige Atome einen Netto-Spin oder ein magnetisches Moment und werden daher als magnetisch bezeichnet. Metamaterialien sind künstlich hergestellte Materialien mit einzigartigen und interessanten Eigenschaften, die nicht in der Natur vorkommen. Die Schaffung von künstlichen Strukturen in magnetischen Materialien könnte die Tür für bisher nicht denkbare Eigenschaften, Funktionen und Anwendungen öffnen, einschließlich magnetfeldgesteuerter nichtflüchtiger elektromagnetischer Geräte. Mithilfe von EU-Mitteln konnten die Wissenschaftler des Projekts NOWAPHEN ("Novel wave phenomena in magnetic nanostructures") die Grenzen von Magnetismus und seiner Anwendungen verschieben. Magnons sind kollektive Anregungen der Elektronenspinstruktur in einem Kristallgitter. Magnonische Kristalle sind Metamaterialien, die - analog zu photonischen Kristallen mit einem Frequenzbereich, in dem Lichtwellenausbreitung unmöglich ist (die Bandlücke) - eine periodische Struktur besitzen, die eine Spinwellenausbreitung in eingeschränkten Bereichen unterbindet. Die Wissenschaftler von NOWAPHEN führten mittels multilateralen Transfers von Wissen und Know-how eine Vielzahl von innovativen Proof-of-Concept-Studien durch, um den Grundstein für die zukünftige Entwicklung von magnonischen Metamaterialien zu legen. Ihre Forschung deckten Bereiche wie Spintronik, Magnonik, Elektromagnetik und Mikrowellenelektronik ab. Zahlreiche beispiellose Ergebnisse und eine Fülle von Publikationen belegen den Erfolg des Projekts. Zu den Höhepunkten gehören neue Charakterisierungsmethoden für die Untersuchung magnonischer Geräte und magnetischer Eigenschaften an Schnittstellen. Die Wissenschaftler entdeckten verbesserte Spinwellenübertragung in Nanodrähten mit einem zickzackartigen Magnetisierungszustand. Dies ebnet den Weg zur Ausnutzung von Effekten auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem magnonischen Geschwindigkeitsmodulationstransistor. Das Team entdeckte auch eine neue Form der magnetischen Anisotropie und eine neue Klasse von nicht-reziproken Spinwellenphänomenen bei metallisierten magnonischen Kristallen. Magnonik und Magneto-Photonik stehen an der Schwelle zu einer neuen Ära von Entdeckungen und magnetischen Geräten mit Wellensteuerung in Feststoffen, die weit über die von Photonik und Plasmonik hinausgehen. In NOWAPHEN haben Wissenschaftler das Wissen und das Verständnis wesentlich erweitert und so einen wichtigen Beitrag zur europäischen Spitzenleistungen in einem Feld geleistet, das von großer sozioökonomischer Bedeutung sein kann.

Schlüsselbegriffe

Magnonik, Spinwellen, Metamaterialien, Wellenphänomene, magnetische Nanostrukturen

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