Spinströme und Domänenwanddynamik basierend auf dem Spin-Seebeck Effekt

• Antragsteller: Professor Dr. Mathias Kläui; Professor Dr. Ulrich Nowak
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198571487

Der kürzlich gefundene Spin-Seebeck-Effekt erzeugt einen Spinstrom bzw. eine Spinakkumulation durch einen Temperaturgradienten in ferromagnetischen Materialien. Dieser Effekt eröffnet neue Perspektiven für spinkaloritronische Anwendungen, die den Spinfreiheitsgrad mit kalorischen Eigenschaften verknüpft. In einem gemeinsamen, theoretischen wie experimentellen Projekt wollen die Antragsteller, ausgehend von ihren sehr erfolgreichen Vorarbeiten, magnonische Spinströme in Isolatoren untersuchen, die durch thermische Gradienten induziert werden. Wir werden sowohl Simulationen von atomistischen Spinmodellen als auch eine kürzlich entwickelte mikromagnetische Theorie, die thermodynamische Aspekte enthält, nutzen und die Ergebnisse direkt mit dem experimentellen Gegenstück vergleichen, um so die zu Grunde liegenden Mechanismen aufzudecken.Um Spinakkumulation zu detektieren, verwenden wir den inversen Spin-Hall Effekt, und wir nutzen die Temperatureabhängigkeit, um magnonischen Beiträge vom Spin-Phonon-Drag zu trennen. Unsere Simulationen können magnonische und phononische Beiträge zum Spinstrom durch geeignete Modellannahmen bezüglich der thermischen Freiheitsgrade unterscheiden. Durch Variation der Matrialien und Erweiterung der untersuchten Materialklassen auf Ferrimagnete und Antiferromagnete werden wir den Ursprung der Spinströme untersuchen. Speziell durch Messungen und Rechnungen über den Kompensationspunkt hinweg werden wir die Beiträge unterschiedlicher Magnonmoden der verschiedenen Untergitter aufdecken. Das wesentliche Ziel dabei ist die Natur der Spinströme und die Korrelation mit den Materialgeigenschaften zu verstehen. Im nächsten Schritt untersuchen wir den Einfluss der thermischen Spinströme in Temperaturgradienten auf die Domänenwanddynamik. Experimentell ist die Bestimmung der Depinning- und Kriecheigenschaften der Wände ein probates Mittel, da die relevanten thermischen Aktivierungsprozesse exponentiell von den Energiebarrieren abhängt und daher sehr sensitive Messungen zulässt. Das wesentliche Ziel ist hier die Bestimmungen der Drehmomente, die ein solcher thermisch induzierter Spinstrom auf die Domänenwand ausübt und der Vergleich mit theoretischen Überlegungen, die auf thermodynamischen Argumenten beruhen. Mit Hilfe kurzer Laserpulse, die hohe Temperaturgradienten erzeugen, soll dann viskose Domänenwandbewegung direkt untersucht werden. Die Messergebnisse sollen dann mit unseren Simulation und analytischen Rechnungen zur Domänenwandgeschwindigkeit verglichen werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1538: Spin Caloric Transport (SpinCaT)