Untersuchung des Spin-Nernst-Effekts: absolute Momente und Dynamik

• Antragsteller: Professor Dr. Georg Schmidt; Professor Dr. Georg Woltersdorf
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257600267

In diesem Projekt soll die durch den Spin-Nernst-Effekt hervorgerufen Spin-Akkumulation untersucht und quantifiziert werden. In den Experimenten sollen zwei komplementäre Ansätze verfolgt werden: eine ultraempfindliche und eine ultraschnelle Methode. Bei den ultraempfindlichen Experimenten soll die Mikro-SQUID-Technologie dazu verwendet werden, die absoluten magnetischen Momente, die mit der durch den Spin-Nernst hervorgerufenen Spin-Akkumulation am Probenrand verknüpft sind, zu messen. Die Probe hat die Form eines Streifens und wird einem Temperaturgradienten ausgesetzt, der entweder durch resistives oder durch optisches Heizen erzeugt werden soll. Mit der ultraempfindlichen Mikro-SQUID-Technik (Empfindlichkeit einige hundert Elektronspins) soll der Spin-Nernst-Effekt quantifiziert werden. Dabei soll es durch Verwendung von geeigneten SQUID-Geometrien möglich werden, auch die Spin-Diffusionslänge zu bestimmen. Eng verknüpft mit theoretischen Untersuchungen wird die Technik auch auf verschiedene Metalle (Cu, Au) einschließlich möglicher Dotierung mit Verunreinigungsatomen angewandt, um zum einen den Spin-Nernst-Effekt zu maximieren und zum anderen intrinsische und extrinsische Beiträge separieren zu können. In dazu komplementären Experimenten sollen große thermische Gradienten mit einer ultraschnellen Anrege-Abfrage-Technik generiert werden, um die Dynamik des Spin-Nernst-Effekts zu untersuchen. Dabei sollen Bow-Tie artige Antennen mit einer Resonanzfrequenz um 1 THz mittels hochintensiver THz-Transienten (1 MV/cm Spitzenfeldamplitude und Pulsdauer 100 Femtoskunden) angeregt werden. Durch geeignetes Design ist es möglich, den entsprechenden THz-Strom in einem kleinen Volumen zu konzentrieren. Die entsprechenden Ohmschen Verluste führen zu einem ultraschnellen Aufheizen. Auf diese Weise wird es möglich thermische Gradienten von über 1 K/nm zu generieren. Thermische Gradienten treiben entsprechend große Wärmeströme und generieren in metallischen Strukturen mit Spin-Bahn-Wechselwirkung über den Spin Nernst-Effekt transversale Spinströme. Diese führen zu einer Spin-Akkumulation an den Probenrändern, die gleichzeitig mit der Methode der zeitaufgelösten Kerr-Mikroskopie abgebildet werden (Ortsauflösung 200 nm). Da die Heizpulse den Wärmestrom auf einer sub-Pikosekunden-Zeitskala einschalten, erlauben diese Experimente die zeitaufgelöste Untersuchung von Aufbau- und Zerfallsdynamik der durch den Spin-Nernst-Effekt erzeugten Spin-Akkumulation.

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