Vollständige on-demand elektrische Kontrolle antiferromagnetischer Domänen

• Antragsteller: Somnath Ghara, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532417292

Im gegenwärtigen Informationszeitalter sind die Miniaturisierung und die Erhöhung der Rechenleistung technischer Anwendungen eines der wichtigsten Forschungsfelder. Konzeptuell neue Ideen und revolutionäre Ansätze sind unabdingbar, um neue aktive Elemente zu entwickeln, und die Spintronik gilt als vielversprechender Kandidat, viele der Herausforderungen zu lösen. Traditionell wurden in der Forschung hier meist ferromagnetische Materialien eingesetzt, die jedoch aufgrund ihrer Streufelder, der langsamen Spindynamik und ihrer Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern für die Entwicklung zukünftiger Computer nicht optimal geeignet sind. Die Beschränkungen der Ferromagneten lassen sich allerdings gut mit antiferromagnetischen Materialien umgehen, die deshalb in der antiferromagnetischen Spintronik als potentielle Alternativen identifiziert wurden. Insbesondere nicht-zentrosymmetrische antiferromagnetische Metalle, bei denen der magnetische Zustand durch elektrische Ströme gesteuert werden kann, haben hierbei große Aufmerksamkeit erregt. Eine generelle Herausforderung der Spintronik ist bisher noch die durch die elektrischen Ströme erzeugte Joulesche Wärme, sodass nicht-zentrosymmetrische antiferromagnetische Isolatoren eine attraktive Materialklasse darstellen. Bei diesen kann der magnetische Zustand mittels magnetoelektrischer Kopplung durch elektrische Felder kontrolliert werden, d.h. ohne Dissipationseffekte. Trotz des jüngsten Fortschritts im Bereich der antiferromagnetischen Spintronik ist die vollständige elektrische Kontrolle der Zustände noch immer herausfordernd, insbesondere wenn es um Hochgeschwindigkeitsoperationen geht. Außerdem müssen einige fundamentale Fragen gelöst werden. In diesem Projekt planen wir die seit langem offene Frage, wie schnell man antiferromagnetische Domänen mittels Spannungspulsen schalten kann, mit Hilfe von magnetoelektrischen Messungen an makroskopischen Einkristallen und Mikrostrukturen des vielversprechenden antiferromagnetischen Isolators Co3O4 zu beantworten. Um mögliche Wege zur Manipulation antiferromagnetischer Domänen zu erforschen, ist die quantitative Ermittlung ihrer Population, die direkte Visualisierung ihrer Nukleation und ihr Schaltprozess von größter Bedeutung. Es gibt mehrere Techniken, um antiferromagnetische Domänen sichtbar zu machen – jedoch sind diese nicht auf alle Antiferromagneten universell anwendbar. Durch die Kombination zweier unterschiedlicher Abbildungsverfahren am gleichen Modellmaterial werden wir deren Potenzial bei der Visualisierung antiferromagnetischer Domänen und ihrer Manipulation in magnetischen und elektrischen Feldern erforschen. Die vorgeschlagenen Untersuchungen in diesem hochaktuellen Forschungsfeld zwischen Magnetismus, Materialwissenschaft und Spintronik werden dazu beitragen, die Physik der Antiferromagnete besser zu verstehen und den Weg für die Entwicklung magnetoelektrisch-antiferromagnetischer Bauelemente mit hoher Operationsgeschwindigkeit zu ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen