Spintronik kommt heute vielfach zum Einsatz: in Datenspeichern, in der Sensorik und zunehmend in der Kommunikationstechnologie. Die Spintronik basiert nicht nur auf der elektrischen Ladung eines Elektrons als Informationsträger, sondern auch auf dem Elektronenspin – dem Eigendrehimpuls bzw. dem magnetischen Moment eines Elektrons und bestimmt dadurch die Funktionalität eines spintronischen Bauelements.

Die neue Forschungsgruppe ChiPS („Chirale Phononen für die Spintronik“), die unter anderem an der Universität Augsburg angesiedelt ist, möchte nun herausfinden, wie Spintronik weiterentwickelt werden kann: Die Physiker untersuchen, wie der Spinfreiheitsgrad von Elektronen mit rotierenden mechanischen Gitterschwingungen, die einen Drehimpuls besitzen, sogenannten chiralen Phononen, gekoppelt werden kann.

Mögliche neue spintronische Anwendungen

Phononen sind kollektive Anregungen der atomaren Gitterschwingungen eines Festkörpers. Phononen können auch einen Rotationssinn erhalten, der mit einem mechanischen Drehimpuls verknüpft ist. Dies kennt man aus dem Gebiet des Magnetismus. Dort besitzen Elektronen einen Eigendrehimpuls, den sogenannten Spin. Drehimpulse können nun miteinander koppeln: Sie lassen sich gegenseitig beeinflussen und im Idealfall kontrollieren. Doch wie kann dies gelingen?

Um dies herauszufinden, betrachtet das Forschungsprojekt erstmalig Prozesse auf der Femtosekundenzeitskala und zwar bis hinunter auf die atomare Ebene. So sollen grundlegende Erkenntnisse über chirale Phononen in Wechselwirkung mit magnetischen Materialien gewonnen, die Basis für neuartige Technologien gelegt und mögliche neue spintronische Anwendungen identifiziert werden. 

Neue Materialien und Oberflächenwellen

„In unserem Augsburger Teilprojekt wollen wir die Erforschung der Physik chiraler Phononen für neuartige spintronische Informationstechnologien weiter voranbringen“, sagt Prof. Manfred Albrecht, Leiter der Arbeitsgruppe in Augsburg. „Dies erfordert hochwertige Materialien mit ausgewählten physikalischen Eigenschaften, die wir im Rahmen der Forschungsgruppe entwickeln werden.“

Zusätzlich verfolgt das Augsburger Team noch ein zweites Anliegen: „Wir wollen den Phononen-Drehimpuls von akustischen Oberflächenwellen nutzen, um den Magnetisierungszustand magnetischer Dünnschichten zu steuern. Diese Oberflächenwellen kann man sich als miniaturisierte Erdbeben vorstellen, die sich auf der Oberfläche eines Materials mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Jedoch ist es noch weitgehend unerforscht, ob und wie man diese Kontrolle durch derartige ‚Nano-Beben‘ effizient in Abhängigkeit der Materialeigenschaften erreichen kann“, erläutert Dr. Matthias Küß, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Albrecht.

Bundesweites Forschungsprojekt

Am Forschungsprojekt ChiPS sind insgesamt acht Arbeitsgruppen aus sechs verschiedenen Einrichtungen beteiligt: Universität Konstanz, Universität Augsburg, Freie Universität Berlin, Max-Born-Institut Berlin, RWTH Aachen, Walther-Meißner-Institut Garching. Geleitet wird ChiPS von Prof. Ulrich Nowak (Universität Konstanz). ChiPS wird zunächst für die Dauer von vier Jahren mit insgesamt rund 3,2 Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert, mit der Möglichkeit der Verlängerung um weitere vier Jahre.