Metallische Ferromagneten-basierte Spin-Wellen-Logik mit Spin-Orbit Momentum induzierter Verstärkung

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Martina Kiechle
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545435707

Dieses Projekt realisiert eine magnonische Logikschaltung mittels effizienter Spinwellenverstärkung in verbundenen Leitungen bestehend aus metallischen ferromagnetischen Dünnschichten. Damit möchte ich einen bedeutenden Fortschritt in der Performanz magnonischer Hardware erreichen und skalierbare Highspeed spinwellenbasierte Rechenarchitekturen ermöglichen, die mit CMOS-Schaltungen kompatibel sind. Spinwellenverstärkung durch den Spin-Hall Effekt wurde in magnetischen Granaten vorgeschlagen, indem Strom durch eine benachbarte Metallschicht mit großem Spin-Hall-Winkel geleitet wird, wobei der erzeugte Spinstrom ein makroskopisches Moment in entgegengesetzter Richtung zu dem Dämpfungsdrehmoment ausübt. Zwar haben vorherige Studien mit dieser Technik eine Reduktion der Dämpfung in metallischen Ferromagneten erreicht, jedoch fehlt es an der Effizienz sowie dem Verständnis der Abhängigkeiten von Spinwellentyp und der Wellenlänge. Zudem ist hier die echte Verstärkung von Spinwellen noch nicht erreicht worden. Experimentelle Schwierigkeiten ergeben sich aus der elektrischen Stromverteilung und -dichte, um das erforderliche Moment zu liefern, sowie aus der inhärent größeren magnetischen Dämpfung von Ferromagneten. Ich habe große Motivation, diese Herausforderungen mit einem gut ausgearbeiteten Projektplan anzugehen. Die Komposition der von mir verwendeten Cobalt-Eisen-Legierung wurde in meiner Gruppe entwickelt und weist eine Dämpfung vergleichbar mit dünnen magnetischen Granaten auf. Die geometrische Anordnung der Spinwellenkanäle wird optimiert, um hohe Stromdichten und Spin-Bahn Moment zu erreichen, die für erfolgreiche Verstärkung erforderlich sind. Spinwellenpropagation in den Kanälen wird anhand von interferenzbasierten Spinwellenlogikgattern demonstriert, die später zu einer vollständigen magnonischen Schaltung kombiniert werden. Um Spinwellen um Ecken zu lenken, sind lokale Modifikationen der Dispersionsrelation nötig. Hierfür untersuchen wir die Verwendung von lokaler Lasererwärmung zur Manipulation und testen, ob eine Spinwellenverstärkung anschließend noch erreicht werden kann. Eine solche Demonstration ist ein bedeutender technologischer Schritt für das Rechen mit Spinwellen und ermöglicht die Realisierung von Bauteilen mit kleiner Wellenlänge sowie potenziell den Ersatz von kurzen elektrischen Kontakten. Hierbei werde ich die Herausforderungen angehen, die mit dem Entwurf, der Layoutplanung und der Herstellung einer spinwellenbasierten Schaltung verbunden sind, die zwei oder mehr Bauteile verwendet, wobei räumliche Einschränkungen berücksichtigt werden. Das Erreichen von Spinwellenverstärkung durch Spin-Bahn Momente ohne thermische Schäden, die Erforschung von Techniken zur Dispersionsrelationsmodifikation und die Bewältigung der Design- und Herstellungsherausforderungen von spinwellenbasierten Schaltungen werden entscheidende Erkenntnisse liefern und den Weg für die Entwicklung effizienter und praktischer Spinwellen Computer ebnen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Dr. William Rippard