Direkte Abbildung magnetischer Wellen

MRT-Scanner ermöglichen einen nicht­invasiven Blick in den mensch­lichen Körper. Der Scanner erkennt die Magnet­felder, die von den Atomen im Inneren abgestrahlt werden. So kann der Gesund­heits­zustand von Organen selbst unter dicken Gewebe­schichten unter­sucht werden. Auch viele andere Bereiche könnten von einer nicht­invasiven Abbildungs­methode profi­tieren. Besonders nützlich wäre sie in der Nano­techno­logie und der Chip­industrie. Könnten Entwickler Signale in Computer­chips und anderen Nano­geräten sehen, wäre es einfacher, deren Leistung zu optimieren und ihre Wärme­produk­tion zu redu­zieren. Die Milli­meter­auf­lösung der konven­tio­nellen MRT reicht jedoch nicht aus, um Geräte im Chip-Maßstab zu unter­suchen. Jetzt hat ein inter­natio­nales Forscher­team einen neuen Typ von MRT-Scanner entwickelt, der Spin-Wellen in ultra­dünnen Magneten im Submikro­meter­bereich abbilden kann. Im Gegen­satz zu elek­trischen Strömen erzeugen diese Wellen wenig Wärme, was sie zu viel­ver­sprechenden Signal­trägern für zukünftige Anwendungen im Bereich der Informa­tions- und Kommuni­ka­tions­technik macht.

Das neue MRT-System macht sich einen speziellen Gitter­defekt in der Kristall­struktur von Diamanten zunutze. Dieser Defekt – ein Stick­stoff-Vakanz-Zentrum – besteht aus einem Stick­stoff­atom, das neben einer leeren Stelle im Kohlen­stoff­gitter des Diamanten sitzt. „Ein solches NV-Zentrum ist im Wesent­lichen ein atom­großer Magnet, der extrem empfind­lich auf Magnet­felder reagiert“, erklärt Toeno Van der Sar von der TU Delft. „Als solche ermöglichen NV-Zentren eine hoch­auf­gelöste Abbildung der magnetischen Struktur einer Probe.“

Spinwellen sind für das Verhalten von Magneten von zentraler Bedeutung. Sie bieten ein großes Poten­zial als Informa­tions­träger, da sie wenig Wärme erzeugen. Ihre Wellen­natur ermöglicht es, logische Vorrich­tungen zu bauen, die mit Hilfe von Wellen­inter­ferenz Rechen­aufgaben ausführen. Die Fähig­keit, die Wellen zu sehen, ist jedoch entscheidend für den Entwurf von Spinwellen-Geräten.

„Um diese Wellen abzubilden, verwendeten wir einen Diamantchip, in dem wir eine Schicht von NV-Zentren erzeugten“, so Van der Sar. „Wir legten diesen Chip auf einen dünnen Magnet­film, in dem wir mit Hilfe von Elektroden und Mikro­wellen­strömen Spinwellen anregten. Die NV-Zentren nehmen die von den Spinwellen erzeugten Magnet­felder auf, was eine hoch­auf­lösende Abbildung der Spinwellen ermöglicht.“

Die Theoretiker des Teams erklären die experi­men­tellen Beobach­tungen in Bezug auf die chirale Spin­wellen­anregung und die Dipol­feld­kopplung an die Sensorspins. Die Ergebnisse sind der bislang direkteste Beweis für die Chiralität von Spinwellen, die das Verständnis der Dynamik von Spinwellen vertiefen. Chiralität ist eine Funktio­nalität, die bisher in der Spintronik noch wenig eingesetzt wurde, die aber die Grundlage für eine neue Generation spin­basierter Geräte aus konven­tio­nellen Materialien sein könnte.

Die Forscher haben gezeigt, dass Spinwellen mit ihrer Methode selbst durch undurch­sichtige Materialien wie die Metall­ver­drahtung auf einem Chip abgebildet werden können. Die Technik ist sogar empfindlich genug, um Spinwellen in Magneten nach­zu­weisen, die nur ein einziges Atom dick sind. Nach Ansicht von Van der Sar wird dieser Ansatz einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von neuartigen Techno­logien leisten: „Da ultra­dünne Magnete zur Her­stellung von Logik­bau­steinen in kleinstem Maßstab heran­gezogen werden, kann unsere bild­gebende Technik diese Entwicklung unter­stützen.“

MPSD / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  I. Bertelli et al.: Magnetic resonance imaging of spin-wave transport and interference in a magnetic insulator, Sci Adv. 6, eabd3556 (2020); DOI:  10.1126/sciadv.abd3556
• Kavli Institute of Nanoscience, Delft University of Technology, Niederlande
• Theoretische Beschreibung von Pump-Probe-Spektroskopien in Festkörpern, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg