Elementspzifische Spindynamik von Nano- und Heterostrukturen

Der gewaltige Fortschritt in der Miniaturisierung von Computerkomponenten der letzten Jahrzehnte verschiebt die Grenzen zu immer kleineren Strukturen und zu immer schnelleren Taktzeiten. Die heutige Technologie ist daher schon nahe an der fundamentalen Grenze der atomaren Längenskala. Daher werden neue Konzepte vorgeschlagen, um die Leistung nicht nur durch weitergehende Miniaturisierung, sondern durch erhöhte Funktionalität zu steigern. Dies beinhaltet die neuen Felder der Spinelektronik und der Magnonik, welchen gemeinsam ist, daß sie den quantenmechanischen Freiheitsgrad des Spins nutzen. Folglich entsteht auch auf dem Gebiet des Magnetismus die Notwendigkeit, Untersuchungen auf immer kleineren räumlichen Dimensionen und auf immer kürzeren Zeitskalen durchzuführen, um die Spindynamik, welche typischerweise im GHz Bereich liegt, auf der Nanometerskala studieren zu können. Ziel dieses Antrags ist die Untersuchung der dynamischen magnetischen Eigenschaften von einzelnen magnetischen Mikro- und Nanoobjekten in einer komplexen magnetischen Umgebung. Dafür wird ein einzigartiges, neues Instrument verwendet, welches die elementspezifische Untersuchung des Magnetismus mittels eines Röntgentransmissions- mikroskops (STXM, Ortsauflösung bis zu 35 nm) mit der zeitaufgelösten, röntgendetektierten ferromagnetischen Resonanz (FMR Zeitauflösung bis zu 17 ps) kombiniert. Konkret erlaubt es das STXM-FMR direkt die magnetischen Eigenschaften von einzelnen Mikro- und Nanoobjekten unter dem Einfluß einer maßgeschneiderten magnetischen Umgebung aus weiteren Partikeln zu untersuchen. Diese führen zu einem komplexen, inhomogenen lokalen Feld welches sich aus dipolaren und indirekten magnetischen Wechselwirkungen zusammensetzt. Andererseits kann auch die dynamische Spinpolarisation, welche durch das sogenannte Spin-Pumpen eines benachbarten Ferromagneten in Resonanz in einem nichtmagnetischen Materials erzeugt wird, erstmalig direkt abgebildet werden, um die räumliche Ausdehnung und die Phasenbeziehung zum Ferromagneten in Resonanz bestimmen zu können. Der Vergleich der Resultate des STXM-FMR mit mikro- magnetischen Simulationen erlaubt es, die Gültigkeit der üblichen Theorie der Spinwellenanregungen zu überprüfen. Zusammenfassend werden sich neue Perspektiven ergeben, die magnetischen Eigenschaften und Wechselwirkungen in komplexen Anordnungen von magnetischen Mirko- Hetero- und Nanostrukturen maßzuschneidern und mit ultimativer Orts- und Zeitauflösung direkt zu untersuchen.

Element-spezifische Spindynamik von Nano- und Heterostrukturen In den letzten Jahren wurden neuartige Konzepte entwickelt, die es ermöglichen sollen, für die Informationsverarbeitung nicht mehr die Ladung des Elektrons zu verwenden, sondern sein intrinsisches magnetisches Moment, den Spin. Hierfür muss der Spin angeregt, transferiert, manipuliert und detektiert wurden, ein Forschungsfeld, was heute unter dem Namen "Magnonik" bekannt ist. Es war ein zentrales Anliegen dieses Projekts die Spin-Dynamik in Modellsystemen mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen, was mit zeitaufgelöster Röntgenmikroskopie gelingen sollte. Derartige experimentellen Aufbauten waren zu Anfang des Projekts überhaupt erst verfügbar und kombinierten die gute Ortsauflösung einen Raster-Röntgenmikroskops mit einer zeitlichen Auflösung im GHz Bereich, in dem sich die Spin-Dynamik üblicherweise abspielt. Im Laufe des Projekts wurde herausgefunden, dass ein propagierendes Verhalten von inhomogenen Spin-Anregungen, sogenannte Spinwellen, sich nicht nur durch externe magnetische Felder beeinflussen lassen, sondern auch einfach durch die Geometrie der Nano- bzw. Mikrostruktur, obwohl die magnetische Anregung homogen war. Dieses Resultat war entgegen der Erwartung, dass in derartigen begrenzten Strukturen ausschließlich stehende Spinwellen existieren sollten. Zusätzlich ermöglichte es die Verwendung von Röntgenstrahlen, die angetriebene Spin-Dynamik in einem Ferromagneten separat von der getriebenen, oder "gepumpten", Spin-Dynamik in einem direkt benachbarten nicht-Ferromagneten in einer Heterostruktur zu beobachten, da elementspezifische Untersuchen möglich sind. Bemerkenswerterweise wurde die Spin-Dynamik ohne jeglichen Ladungstransfer übertragen, da das Material hoch isolierend, also elektrisch nicht leitfähig war. Beide Resultate bieten neuartige und wertvolle Einsichten in die fundamentalen Eigenschaften von magnetischen Nano- und Heterostrukturen die für mögliche zukünftige Anwendung in magnonischen Bauelementen von Bedeutung sein können.