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Mit der Entwicklung der ?klassischen‘ Diode hat der deutsche Physiker und Nobelpreistr?ger Ferdinand Braun 1874 die Grundlage für die heutige moderne Digitaltechnik gelegt. Dieses elektronische Bauelement l?sst Strom nur in einer Richtung passieren, in der entgegengesetzten Richtung wird der Stromfluss stark gehemmt. Vergleichbar damit werden in der Hochfrequenztechnik sogenannte Isolatoren verwendet, um beispielsweise in der Satelliten- und Telekommunikation Empf?ngersignale passieren zu lassen, jedoch st?rende Signale in Gegenrichtung zu unterdrücken. Allerdings sind die heute kommerziell erh?ltlichen Isolatoren verh?ltnism??ig teuer und zudem relativ gro?. Beide Probleme k?nnten mit dem neuartigen Ansatz des Forscherteams aus Augsburg und Garching behoben werden.

Nanobeben auf dem Chip auch im Smartphone

Zum einen ist der Augsburger Professor Achim Wixforth, ein seit Jahrzehnten weltweit anerkannter Experte für Nanobeben, eine der treibenden Kr?fte hinter dem Projekt. Er erkl?rt: ?Die Nanobeben kann man sich grob wie miniaturisierte Erdbeben vorstellen. Jedoch lassen sich die Nanobeben sehr effizient und kostengünstig auf nur Millimeter gro?en piezoelektrischen Chips durch Wechselspannung mit sogenannten Transducern anregen und auslesen. Deshalb sind Nanobeben für den technologischen Einsatz als Filter oder Sensor für die Massenfertigung besonders gut geeignet und werden beispielsweise in modernen Smartphones gleich dutzendweise verbaut.“ Laut Wixforth breiten sich die Nanobeben üblicherweise jedoch in beiden entgegengesetzten Richtung auf einem solchen Chip auf gleiche Weise aus. Das hat zwar viele Vorteile, aber es lassen sich damit somit keine richtungsabh?ngigen Isolatoren bauen.

Die Nanobeben ?sto?en“ Spinwellen an

Professor Manfred Albrecht aus Augsburg mit ausgewiesener Expertise im Bereich Magnetismus liefert hier mit ma?geschneiderten magnetischen Filmen eine L?sung, die wie so oft durch Kombination zweier Techniken auf einem Hybridchip Innovationspotenzial hat: ?Dehnt oder staucht man magnetische Materialien, dann hat das Einfluss auf die Magnetisierung. Falls nun ein Nanobeben durch einen Magneten l?uft, so ?wackeln“ die Nanobeben aufgrund dieses magnetostriktiven Effekts an den magnetischen Momenten und regen sogenannte Spinwellen an. Diese originelle Idee wollten wir unbedingt umsetzen und wurden für diese Vorhaben von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit einem gemeinsamen Forschungsprojekt an der Universit?t Augsburg finanziell unterstützt.“
Besonders gut mit Spinwellen kennt sich Professor Mathias Weiler vom Walther-Mei?ner-Institut in Garching aus und würde den Prozess folgenderma?en erkl?ren: ?Reiht man mehrere Kompassnadeln in einer Reihe auf, so ?fühlt“ jede magnetische Kompassnadel die Ausrichtung der benachbarten Nadeln. St??t das Nanobeben nun die erste Nadel an, dann breitet sich diese Auslenkung aus – ?hnlich einer Wasserwelle, nach dem Wurf eines Steines ins Wasser.“ Und Weiler weiter: ?Der Clou an der Sache ist nun, dass sich Spinwellen manchmal in entgegengesetzten Richtungen auf unterschiedliche Weise ausbreiten. Diese so genannte Nicht-Reziprozit?t ist in nur wenigen Atomlagen dicken magnetischen Filmen, die von Platin überdeckt werden, aufgrund der sogenannten Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung besonders gro?“. Dies machen sich die Physiker gemeinsam zu Nutze und kombinieren ?Nanobeben auf dem Chip“ mit Spinwellen in magnetischen Filmen um auch die Nanobeben bevorzugt in nur eine Richtung passieren zu lassen.

Weitere Projekte sind geplant

Für den Physik-Doktoranden Matthias Kü?, der die Experimente mit gro?em Geschick durchgeführt, optimiert und interpretiert hat, war es ?sch?n zu sehen, dass die Nanobeben die Spinwellen derart effizient antreiben k?nnen. Deshalb breiten sich Nanobeben und die elektrischen Signale, welche diese erzeugen, auch mit einem sehr hohen Kontrast in nur eine Richtung aus. In diesem Punkt sind wir bereits jetzt schon konkurrenzf?hig mit aktuell kommerziell erh?ltlichen Isolatoren. Klar ist aber auch, dass an anderer Stelle noch Aufwand in die Optimierung unserer Bauteile gesteckt werden kann und muss.“ Das Forscherteam zeigt sich zuversichtlich, dass ?gerade auch wegen der faszinierenden vielf?ltigen Eigenschaften von Spinwellen und deren komplizierten Interaktion mit den akustischen Wellen deutliche Optimierungen m?glich sind.“ Und so viel verraten die Forscher noch: ?Wir sind schon jetzt recht weit mit der zweiten Evolutionsstufe unserer Bauteile und deren Performance ist im Vergleich des soeben publizierten ersten ?proof of principle“ noch einmal deutlich verbessert.“
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Originalpublikation:

Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich im renommierten Physik-Fachjournal ?Physical Review Letters“ publiziert: Matthias Kü?, Michael Heigl, Luis Flacke, Andreas H?rner, Mathias Weiler, Manfred Albrecht und Achim Wixforth, Nonreciprocal Dzyaloshinskii–Moriya Magnetoacoustic Waves, Physical Review Letters 125, 217203 (2020).