Plattform für Spinwellen in hybriden PMA/YIG Filmen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Markus Becherer; Dr. Carsten Dubs
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429656450

Das vorgestellte Projekt zielt darauf ab, analoge Bauelemente für die Signalverarbeitung in senkrecht zur Filmebene magnetisierten Yttrium-Eisen-Granat Dünnschichten (YIG: engl. Yttrium Iron Garnet) mit robuster senkrechter magnetischer Anisotropie (PMA) zu entwickeln und experimentell zu realisieren. In Kombination mit fein abgestimmten ferromagnetischen bistabilen PMA-Nanomagneten zur lokalen Modifikation der Spinwellendispersion schlagen wir eine rekonfigurierbare neuromorphe magnetische Signal- und Datenverarbeitungsplattform vor. Die PMA-Nanomagnete werden über elektrisch gesteuerte Nanocrossbar-Arrays geschaltet, was eine Rekonfigurierbarkeit der Bauelemente während der Laufzeit ermöglicht. Wir erwarten, dass das Array auf der zweistelligen Nanosekundenskala pro Magnet und Mikrosekunden für das gesamte Array umprogrammiert werden kann. Die volle elektrische Rekonfigurierbarkeit basiert auf der Technologie der senkrechten nanomagnetischen Logik, bei der die speziell modifizierten Schaltfeldverteilungen der Magnete und die fein abgestimmte Streufelderzeugung im Mittelpunkt stehen. Die Nanomagnete verhindern statische Leistungsverluste, was im Vergleich zu strominduzierten Spinwellensteuerungskonzepten von Vorteil ist, da nur für die Rekonfiguration Energie benötigt wird. Darüber hinaus streben wir einen hochoptimierten, durch Flüssigphasenepitaxie gewachsenen, PMA-Yttrium-Eisen-Granat als Spinwellenmedium an. Um eine isotrope Wellenausbreitung in der Forward-Volume (FV)-Konfiguration zu gewährleisten, werden damit möglichst geringe oder gar keine magnetischen Biasfelder benötigt. Gleichzeitig wollen wir die YIG-Fertigungsmethoden erweitern, um die geringste Dämpfung und hohe Ausbreitungsgeschwindigkeiten zu erreichen und gleichzeitig eine signifikante Verbesserung der magneto-optischen Antwort zu erzielen, um die Bauelementcharakterisierung zu erleichtern. Die neuromorphe Signalverarbeitung, die direkt im Spinwellenmedium stattfindet, entwickelt sich auf Zeitskalen im zweistelligen Nanosekundenbereich. Dies ermöglicht eine neuromorphe Rekonfigurierbarkeit, so dass Lernepochen in speziellen Simulationsprogrammen (z. B. SpinTorch, einem Zweig von PyTorch für mikromagnetische Plattformen) und parallel auf der entwickelten Spinwellenhardware durchgeführt werden können. Die hergestellten Bauelemente werden einen geringen Stromverbrauch bei gleichzeitig hoher Rechengeschwindigkeit aufweisen, was mit anderen Technologien nur sehr schwer zu erreichen ist. Die entwickelten elektrisch rekonfigurierbaren Spinwellenbauelemente werden neue Wege für Learning-in-Hardware, inversem Design und neuromorpher Datenverarbeitung für Anwendungen wie Edge AI eröffnen: Stromsparende Signalverarbeitung auf Endnutzergeräten. Unsere Bauelementplattform konzentriert sich auf vielversprechende Anwendungen und wird den Stand der Technik in der Technologie der magnonischen Signalverarbeitung deutlich übertreffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen