Spin-kalorische Phänomene in freitragenden Ferromagneten: von ausgedehnten Filmen zu niedrig-dimensionalen Effekten

• Antragsteller: Professor Dr. Dirk Grundler
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198146013

Auf der Grundlage eines elektrischen Messplatzes, in dem wir ein Laser-Raster-Verfahren mit GHz-Mikrowellenspektroskopie in angelegten Magnetfeldern kombiniert haben, wollen wir freitragende ferromagnetische Dünnschichten aus Permalloy oder Co2FeSi sowie einzelne magnetische Nanoröhren (NTs) in lokal erzeugten Temperaturgradienten hinsichtlich spin-abhängiger Transporteigenschaften untersuchen. Dabei geht es uns um Transportprozesse, die entweder im Zwei-Strombild (Einzelelektronen) oder im Bild kollektiver Spinanregungen (Magnonen) erklärt werden können. In Vorarbeiten wurden die magnetischen NTs mit verschiedenen Abscheidungsverfahren auf einkristallinen GaAs-Nanodrähten bereits aus Ni, Permalloy, und CoFeB hergestellt und mit elektrischen Kontakten versehen. Zukünftig streben wir NTs auch aus Co und Innendurchmesser bis hinunter von etwa 40 nm an. Die NT-Längen sollen zwischen etwa 6 und 20 µm betragen, so dass mehrere Stromkontakte durch Nanolithographie integriert werden können. Gleichzeitig integrieren wir GHz-Mikrowellenantennen zur lokalen Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen. Wir wollen substrat-gebundene und freitragende kontaktierte NTsmit GaAs-Kern untersuchen, um räumlich verschieden verteilte Temperaturgradienten auszunutzen, die bei lokaler Laserlicht- oder Mikrowellen-Bestrahlung entstehen und Transportprozesse treiben. Die an den NTs zu erwartenden Effekte betreffen die temperatur-induzierte Domänenwand-Bewegung, den anomalen Nernst-Effekt (ANE), das Seebeck-Spin-Tunneln und den spin-abhängigen Seebeck-Effekt. Derartige Phänomene stehen im Zentrum des SPP 1538. Als Untersuchungsmethoden für die Domänenwandbewegung und Spin-Anregungen werden wir den anisotropen Magnetowiderstandseffekt, den lokalen ANE und die elektrisch-detektierte ferromagnetische Resonanz (EDFMR) einsetzen. Das räumliche Auslösungsvermögen des ANE unter Laserlichtbestrahlung sowie die Wärmeausbreitung durch Spinwellen im GHz-Frequenzbereich sollen in separaten Experimenten ermittelt werden. Finite-Element-Simulationen sollen ein quantitatives Verständnis der Temperaturgradienten erbringen. Eingebunden in das SPP werden wir in den Kooperationen mit weiteren Forschungsgruppen die temperaturabhängige thermische Leitfähigkeit und den Seebeck-Effekt der NTs, ihren thermoelektrischen Gütefaktor zT und den Modencharakter der angeregten Spinwellen mit Hilfe des magneto-optischen Kerr-Effekts sowie der inelastischen Lichtstreuung ermitteln. In Kooperationen unterstützen wir Forschungsgruppen mit EDFMR und ANE an magnetischen Nanostrukturen sowie speziellen Proben zur Untersuchung des magnetischen Seebeck-Effekts. Unsere Forschungsergebnisse sollen dazu beitragen, experimentelle Grundlagen für die Realisierung von magnetischen Nanobauelementen zu schaffen, die in der Literatur vorgeschlagen wurden und auf spin-kalorischen Prinzipien fußen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1538: Spin Caloric Transport (SpinCaT)
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Beteiligte Person: Professorin Dr. Anna Fontcuberta i Morral