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Nanofeine Schwingungen in neue Anwendungen

In oszillierenden Magnetisierungswellen steckt viel Potenzial in Bezug auf die Speicher- und Informationsverarbeitung. EU-finanzierte Wissenschaftler untersuchten und nutzten sie in von der Biologie inspirierten Modellen, experimentellen Systemen und Bauelementen.
Nanofeine Schwingungen in neue Anwendungen
Spin-Torque-Oszillatoren (STO) sind neuartige, nanoskalige, oszillierende Bauelemente auf Grundlage von Spintroniktechnologie und regelmäßigem Umschlagen der Magnetisierung. Ihre kleine Größe und hohe Abstimmbarkeit lassen sie für viele Anwendungen einschließlich nicht konventioneller Möglichkeiten sehr attraktiv erscheinen. Die Mechanismen des Ganzen sind jedoch noch weitgehend unbekannt - Wissen ist aber zweifellos eine Voraussetzung für deren Nutzung.

EU-finanzierte Wissenschaftler initiierten das Projekt "Spin torque oscillators with applications in non digital computing science and communications" (SPINTORQOSC), um das Wissen zu erweitern und die Umsetzung biologisch inspirierter Berechnungen in Nanostrukturen zu ermöglichen. Schwerpunkt waren Spinwellenanregungen in ferromagnetischen Dünnschichten. Dieses Phänomen eignet sich für neue Arten der Informationsverarbeitung.

Das Team wollte Wellenfrontberechnungen anhand von Spinwellen analog den Berechnungen im Gehirn anwenden und dabei die periodische elektrische oszillatorische Aktivität ausnutzen. Spinwellen oder Magnonen sind elementare kollektive Anregungen von Spins, wobei Spin der Eigendrehimpuls ist, den alle Elementarteilchen besitzen. Spin-Torque-Oszillatoren enthalten sehr starke Magnetisierungsschwingungen.

Mit den theoretischen Arbeiten erreichte man das erste Ziel. Sie führten zu Publikationen eines Modells für die Umsetzung biologisch inspirierter Berechnungen mit Wellenfronten in Nanostrukturen. Die Wissenschaftler schlugen ein Konzept vor, das ferromagnetische Dünnschichten, in denen sich die Spinwellen ausbreiten, und Nanokontakte (die Spin-Torque-Oszillatoren) umfasst, welche die Schichten kontaktieren und die Magnetisierungsdynamik anregen. Auf diese Weise erzeugen die Spin-Torque-Oszillatoren einerseits Spinwellenmuster und messen außerdem gleichzeitig eingehende Spinwellen.

Die experimentellen Arbeiten mündeten in der Fertigung von Spin-Torque-Oszillator-Bauelementen auf ferromagnetischen Dünnschichten und der Demonstration von Spinwellenaktivität in diesen, die elektrisch gemessen wurde. Das Team hat überdies verschiedene Verfahren zur Bildgebung und Steuerung der Spinwellen einschließlich des Einsatzes von zwei verschiedenen Synchrotronen und organischer Halbleiter untersucht.

Eine Kopplung zwischen magnetischen Dünnschichten und organischen Halbleitern führte zur Entdeckung eines neuen Effekts, der Weiterleitung eines magnetischen in ein optisches Signal über Elektrolumineszenz im organischen Halbleiter. Weitere Arbeiten konzentrierten sich auf Einzelmolekülmagnete und die Anfertigung einer Anzahl von Spin-Torque-Oszillator-Bauelementen.

Die Ergebnisse von SPINTORQOSC wurden in Form zahlreicher wissenschaftlicher Arbeiten in renommierten, von Experten begutachteten wissenschaftlichen Fachjournalen veröffentlicht. Anhand von Theorien und Experimenten konnten die Wissenschaftler das Wissen über Spin-Torque-Oszillatoren und die ihnen innewohnenden Mechanismen und Steuerungsmöglichkeiten vertiefen. Und so könnten schon bald völlig neuartige Bauelemente zur Verfügung stehen.

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Schlüsselwörter

Magnetisierung, Spin-Torque-Oszillatoren, Computerwissenschaft, Spinwelle, ferromagnetische Dünnschichten
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