Von Spins zu Ladungen: Nature Communications einer Kollaboration Konstanz, Tokio, Dortmund
Die digitale Wirtschaft, Gesellschaft und Politik werden zunehmend von cloudbasierten Daten geprägt. Der Fortschritt transformativer Technologien wie künstlicher Intelligenz stellt beispiellose Anforderungen an Rechenzentren. Dies hat zu einer intensiven Suche nach einem Konzept für die Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Daten geführt, das selbst bei THz-Raten funktioniert und gleichzeitig den Energieverbrauch minimiert. Kollektive Spin-Anregungen, sogenannte Magnonen, wurden als energieeffiziente Informationsträger vorgeschlagen. Eine entscheidende Herausforderung besteht darin, diesen Ansatz in die allgegenwärtige CMOS-Technologie zu integrieren. Dieser Schritt erfordert einen Mechanismus zur Umwandlung von THz-kohärenten Magnonen in ein Ladungssignal. Hier demonstrieren wir die Kohärenzübertragung von optisch angeregten THz-Magnonen auf Ladungen in Form einer optischen Antwort. Wir identifizieren die für diesen Effekt notwendigen Bedingungen und formulieren ein mikroskopisches Modell, das die experimentellen Ergebnisse ohne Feinabstimmung der Parameter reproduziert. Diese Ergebnisse bieten einen Weg zu einer energieeffizienten Hochgeschwindigkeits-Informationstechnologie.
Dieses innovative Ergebnis ist das Ergebnis einer engen und fruchtbaren Zusammenarbeit zwischen der experimentellen Emmy-Noether-Gruppe von Dr. Davide Bossini an der Universität Konstanz und der theoretischen Forschungsgruppe von Prof. Götz S. Uhrig an der TU Dortmund mit wichtigen Beiträgen von Dr. Takuya Satoh vom Institute of Science Tokyo. Es begann wie üblich mit einer scheinbar einfachen Frage: Warum treten bei der Übertragung von Licht Schwingungen mit der Frequenz eines Magnons, d. h. einer quantisierten Spinwelle, auf? Nach vielen Diskussionen und dem Verwerfen zahlreicher Ideen gelang es den Forschern, den zugrunde liegenden Mechanismus zu identifizieren:
Durch optisches Pumpen wird eine beträchtliche Anzahl kohärenter Magnonen angeregt, die sich wiederum als Larmor-Präzession der antiferromagnetischen Magnetisierung in Nickeloxid bemerkbar machen (siehe Kreis in der linken Abbildung). Diese präzedierende Magnetisierung verschiebt aufgrund der relativistischen Spin-Bahn-Kopplung die elektronischen Niveaus in den Nickelionen. Diese Verschiebungen verändern wiederum die optischen Übergangsfrequenzen geringfügig, sodass die Transmittanz periodisch moduliert wird. Mit Hilfe der hochmodernen Anlage (siehe rechte Abbildung) im Bossini-Labor in Konstanz konnten diese Modulationen nachgewiesen werden. Die Verschiebungen der Übergangsfrequenzen wurden von Priv.-Doz. Jörg Bünemann in Dortmund berechnet. Das bahnbrechende Ergebnis, das die enge Wechselwirkung zwischen magnetischen und elektronischen Anregungen zeigt, wurde somit durch die umfassende Nutzung der Synergie zwischen Experiment und Theorie ermöglicht.
