Detektierte Magnonenspannung über dem Magnetfeld von minus 10 bis plus 10 Tesla bei 24 K auf dunklem Grund, vier Kurven für Feldwinkel von 0, 30, 60 und 90 Grad: Jede fällt nahe null Feld auf etwa 0,4 Mikrovolt und steigt nahe plus und minus 8 Tesla auf Maxima von 1,2 bis 1,5 Mikrovolt. Ein Einsatz skizziert das Bauelement, eine Platte mit zwei oberen Elektroden an einem Voltmeter und einer unteren Elektrode an einer Stromquelle.

Forschung · Spintronik

Magnon-Spinventil in Pt / CrPS4 / Pt

Magnonentransport durch einen Antiferromagneten, von einem Magnetfeld gesperrt oder durchgelassen.

Kurz gesagt

Dieses Bauelement legt einen magnetischen Halbleiter zwischen zwei Platinschichten: Eine Platinschicht regt eine Welle des Magnetismus im Material an, ein Magnon, und die zweite liest es auf der anderen Seite aus. Wird die Ausrichtung der magnetischen Schicht in der Mitte umgeschaltet, schaltet das Signal ein oder aus, wie ein Ventil. Ob Magnonen überhaupt hindurchkommen, entscheiden die Grenzflächen zwischen Platin und CrPS4.

Ein laufendes Projekt seit 2024 im Kläui Lab an der JGU Mainz.

Drei Felder. Links und Mitte: lichtmikroskopische Aufnahmen zweier Bauelemente, jeweils ein langer schmaler Streifen zwischen Goldkontaktflächen auf einem braunen Substrat, grün beim ersten und rosa beim zweiten Bauelement, mit mehreren feineren Zuleitungen entlang des Streifens und einem dunklen Maßstab unten rechts. Rechts: detektierte Spannung in Mikrovolt über dem angelegten Magnetfeld von minus 10 bis plus 10 Tesla bei 24 K, mit vier Kurven für Feldwinkel von 0, 30, 60 und 90 Grad. Alle vier sind symmetrisch um null Feld, fallen nahe null auf ein Minimum von etwa 0,4 Mikrovolt und steigen nahe plus und minus 8 Tesla auf Maxima von etwa 1,2 bis 1,5 Mikrovolt, wobei die Kurve für 90 Grad durchgehend am höchsten liegt. Ein eingesetztes Schema zeigt eine Platte mit zwei Elektroden oben an einem Voltmeter und einer dritten Elektrode darunter an einer Stromquelle. Bei 24 K hängt das detektierte Signal davon ab, wie das Feld relativ zum Kristall ausgerichtet ist, mit Maxima nahe ±8 T.

Wie

  • Magnonen auf zwei Wegen angeregt, aus der unteren Platinschicht, thermisch über den Spin-Seebeck-Effekt und elektrisch über den Spin-Hall-Effekt, und in der oberen Schicht über den inversen Spin-Hall-Effekt detektiert. Der Zustand des Ventils wird durch die Ausrichtung des Antiferromagneten CrPS4 in einem angelegten Feld eingestellt.
  • Den Stapel in einer Glovebox zusammengesetzt, weil CrPS4 an Luft degradiert: Flocken aus einem Volumenkristall exfoliert und per Polymer-Dry-Transfer auf gesputtertes Platin gelegt. Geometrie per Elektronenstrahllithografie, Kontaktpads per optischer Lithografie, Strukturierung per Ionenstrahlätzen, Lackentfernung durch Veraschen im Sauerstoffplasma.
  • Jedes Bauelement per REM und EDX im eigenen Haus geprüft, bevor es in einen Kryostaten kommt, als strukturelle und chemische Ausgangsbasis für die Übergabe von der Fabrikation an die Messung.
  • Das Grenzflächenrezept aus meinem Jahr als Gastwissenschaftler mitgebracht, 2021 bis 2022, in dem zwei Routen unter mehreren Abscheide- und Transferbedingungen charakterisiert wurden: Platin auf exfoliertes CrPS4 abgeschieden, und CrPS4 auf vorab abgeschiedenes Platin transferiert.

Die Fabrikationskette teilt das Projekt mit den Exchange-Bias-Projekten; sie ist unter Methoden beschrieben. In Entwicklung.