BESSY II: Erster Film von Spinwellen im Nano-Oszillator

Spin-Hall-Nano-Oszillatoren sind winzige Bauelemente auf Basis von ultradünnen CoFeB-Schichten. Sie wandeln Gleichstrom in Mikrowellensignale um und gelten als Option für eine besonders effiziente drahtlose Kommunikation oder für eine neue Technologie der Datenverarbeitung, die vom Gehirn inspiriert ist. Ein schwedisch-deutsches Team konnte nun an BESSY II zum ersten Mal die Magnetisierungsdynamik im Inneren eines solchen Spin-Hall-Nano-Oszillators abbilden, sozusagen filmen. Dazu nutzten sie die zeitaufgelöste Röntgen-Rastertransmissionsmikroskopie am MAXYMUS-Instrument. Die Abbildungen zeigen Merkmale von Spinwellen, die in den bisherigen indirekten Messverfahren nicht sichtbar waren. Die Studie ist in „Advanced Materials“ veröffentlicht.

Spin-Hall-Nano-Oszillatoren (SHNOs) gehören zu den vielseitigsten Bauelementen der Spintronik: Ein durch eine nanometergroße Verengung geleiteter Gleichstrom versetzt die lokale Magnetisierung in eine gleichmäßige Präzession und wandelt ein Gleichstrom-Eingangssignal in ein Hochfrequenz-Ausgangssignal um, das abstimmbar ist. SHNOs sind einfach herzustellen und kompatibel mit CMOS-Bauelementen, außerdem können sie in großen Arrays miteinander synchronisiert werden. Deshalb gelten sie als Modellplattform für abstimmbare Mikrowellenquellen und für neuromorphes, wellenbasiertes Rechnen. Was jedoch tatsächlich im Inneren eines einzelnen Oszillators geschieht, war bisher noch nie direkt beobachtet worden – die Dynamik spielt sich auf Nanometer-Längenskalen und innerhalb von Bruchteilen einer Nanosekunde ab.

Film zeigt Prozess auf Nanoskala 

Das Team an der Universität Göteborg fertigte SHNOs auf Basis ultradünner CoFeB-Schichten an und charakterisierte deren Mikrowellendynamik. Um einen Blick ins Innere der Bauelemente zu werfen, arbeitete die Gruppe mit dem Team am HZB sowie mit einer Gruppe vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart zusammen. Dabei setzten sie das Röntgen-Transmissionsmikroskop MAXYMUS, das am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin betrieben wird, wie ein Stroboskop ein: Alle 10 Pikosekunden  entstanden Bilder, jeweils mit räumlichen Auflösungen von einigen zehn Nanometern.

Die Röntgenfilme zeigen, dass sich die Eigenschwingungen der Spinwellen an den Rändern der Nanoverschmälerung konzentrieren – allerdings an einem Rand deutlich stärker als am anderen – und dass sich die emittierten Spinwellen stark anisotrop ausbreiten und senkrecht zum angelegten Magnetfeld fortbewegen.  Mikromagnetische Simulationen konnten diese Beobachtungen erst reproduzieren, nachdem drei Effekte berücksichtigt wurden, die üblicherweise vernachlässigt werden. Erstens ist die magnetische Schicht nicht vollkommen gleichmäßig, sondern besteht aus winzigen Kristallkörnern, deren Grenzen die Spinwellen beeinflussen. Zweitens schwächt die Nanofabrikation die senkrechte magnetische Anisotropie, was die Ursprungspunkte der Wellen verschiebt. Und drittens bewirkt ein subtiler Grenzflächeneffekt, die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung, dass Spinwellen, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten, sich unterschiedlich verhalten, was die Einseitigkeit der Emission erklärt. Erst unter Berücksichtigung aller drei Faktoren stimmten Simulation und Experiment überein – ein Zeichen dafür, dass die physikalischen Modelle verfeinert werden müssen, die zur Konstruktion von SHNOs und deren synchronisierten Netzwerken verwendet werden.

Dauerhafte Veränderung 

Die Messungen lieferten zudem eine unerwartete Nebenbeobachtung: Bei längerer Bestrahlung mit intensiver weicher Röntgenstrahlung veränderten sich die magnetischen Eigenschaften der Proben dauerhaft. Dieser Effekt betrifft die hier untersuchte spezielle Materialkombination – eine ultradünne, mit MgO bedeckte CoFeB-Schicht – und nicht magnetische Materialien im Allgemeinen. Doch gerade diese CoFeB/MgO-Grenzfläche ist ein Standardbestandteil heutiger spintronischer Bauelemente, die häufig für den Einsatz in Umgebungen mit hoher Strahlenbelastung wie Satelliten und anderen Raumfahrzeugen in Betracht gezogen werden. Wie solche Bauelemente auf hohe Strahlungsdosen reagieren, verdient daher eine genauere Untersuchung.

„Nur durch die direkte Beobachtung der Spinwellen konnten wir verstehen, welche Faktoren diese Oszillatoren tatsächlich bestimmen. Effekte wie Korngrenzen und die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung erwiesen sich dabei als wesentlich“, sagt Dr. Sebastian Wintz, der die Messungen an BESSY II leitete.

 „Wir wissen, dass sich SHNOs in sehr großen Netzwerken synchronisieren können. Diese direkte Abbildung gibt uns eine deutlich solidere mikroskopische Grundlage, um zu verstehen und zu steuern, wie Spinwellen die Kopplung und die Phasenbeziehungen innerhalb dieser Netzwerke bestimmen“, fügt Prof. Johan Åkerman hinzu, der das Team an der Universität Göteborg leitet.

Förderung:

Die Arbeit wurde u.a. vom Europäischen Forschungsrat (ERC Advanced Grant „TOPSPIN“, Fördernummer 835068), der Knut- und Alice-Wallenberg-Stiftung im Rahmen des Wallenberg-Stipendiatenprogramms (KAW 2022.0079), dem Schwedischen Forschungsrat durch einen Distinguished-Professor-Zuschuss (Fördernummer 2024-01943) sowie durch das Helmholtz-Nachwuchsgruppenprogramm gefördert.