Wir untersuchen die Dynamik von Magnetisierungsprozessen in Nanostrukturen mit Femtosekundenspektroskopie (fs). Im neuen Forschungs- und Studienschwerpunkt "Quanten und Nano" an unserem Institut nehmen wir spintronische Transporteigenschaften (im THz-Bereich) unter die Lupe ...
Was sind die Grenzen ultraschneller Manipulation der Magnetisierung? Wir möchten mit unserer Forschung das Verständnis von Femtosekunden Spindynamik, deren Anwendung als neuartige THz Emitter, die Entwicklung von Nanodevices für neuronales Computing in spintronischen Nanostrukturen und die Dynamik von magnetischen topologischen Objekten zusammenbringen.
Seit seiner Postdoktorandenzeit am Massachusetts Institute of Technology (MIT) 2001 ist Markus Münzenberg aktiv im Bereich der Spintronik und ultraschnellen Dynamik. Als einer der wenigen Akteure in Deutschland hat er das Know-How magnetische Tunnel Junctions (MTJs) als nanostrukturieren herzustellen und weiterzuentwickeln etabliert. MTJs sind integrierbar in Standard CMOS Halbleiter Chiptechnologie.
Forschung
- Nanodevices
- Spintronik
- Neuronale Chips
- Topologie in Festkörpersystemen
- Ultraschnelle Dynamik und THz
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Wir sind ausgestattet mit einer Metall MBE und Sputtering Chamber Cluster, Lithography und Reinraum (Mask Aligner SUESS, Nanoscribe, Leo Supra eBeam lithography, Wire Bonder) für Magnetotransport Experimente. Unsere Laserlabore mit THz Setups und Femtosekunden Verstärker Systemen sind verbunden mit magneto-optical Pump-Probe Setups und Kerr Mikroskopie für Skyrmion and Domänenabbildung.
Contact
Prof. Dr. Markus Münzenberg
Institut für Physik, Universität Greifswald, Felix-Hausdorff-Str. 6, 17489 Greifswald, Telefon +49 3834 420-4780
markus.muenzenberguni-greifswaldde
Neuronen in 3D Scaffolds
Eine der zentralen Fragen der Lebenswissenschaften ist, die Funktionsweise des Gehirns zu verstehen. Komplexe Abläufe im Gehirn ermöglichen uns, schnell Muster zu erkennen und damit große Datenmengen auf die wesentliche Information zu reduzieren. Zentral für diese Funktion des Gehirns sind selbstlernende neuronale Netzwerke. „Wir entwickeln an der Universität Greifswald lithografische, dreidimensionale Strukturen mittels Laserlithografie. Die Herausforderung bestand darin, dass nur das Innere der winzigen Turmstrukturen beschichtet werden durfte, damit sich die Zellen dort ansiedeln, sodass die Axone geleitet in den 1–2 μm Kanälen wachsen können. Erste Ergebnisse zeigen das Potenzial der neuen Methode auf“, erklärt Dr. Christian Denker von der Universität Greifswald. "Wenn der Ansatz mit Hybrid-Neuronen-Netzwerke, in denen die Verschaltung durch die 3D Scaffolds vorgegeben wird weiter perfektioniert wird, könnte anhand vereinfachter Modellsysteme studiert werden, wie Netzwerke mit lebenden, echten Neuronen funktionieren."
Originalveröffentlichung:
Microscaffolds by Direct Laser Writing for Neurite Guidance Leading to Tailor‐Made Neuronal Networks
C. Fendler, et al. Advanced Biosystems, (2019).
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All-optical spin manipulation:
Magnetisation switching of FePt nanoparticle recording medium by femtosecond laser pulses
In a collaboration between Universities of Uppsala, Konstanz, Kiel, Madrid and Western Digital, we lifted the mystery of all-optical manipulation of the magnetization of FePt recording media. Today, FePt nanograins are developed, because of their large magnetic anisotropy, resulting in a high thermal stability even for a few nanometer sized grains, arising in their high coercive field of more than 4 Tesla. They are currently developed further for heat assisted magnetic recording. Our collaboration showed that different steps are important, from ab-initio calculations of the light induced magnetization up to the correct thermal description of the spin ensemble. That shows again the complexity of ultrafast magnetization dynamics, and that there is no unique process for describing ultrafast magnetism. Our calculations for each grain entered into a simple rate model that can explain the switching statistics. To date multiple laser pulses are needed to get a decent writing success. With our single shot experiments compared to the calculations, we can make now predictions for the boundary condition for single-shot laser writing of magnetic bits in the future.
Reference:
Magnetisation switching of FePt nanoparticle recording medium by femtosecond laser pulses
R. John, M. Berritta, D. Hinzke, C. Müller, T. Santos, H. Ulrichs, P. Nieves, J. Walowski, R. Mondal, O. Chubykalo-Fesenko, J. McCord, P. M. Oppeneer, U. Nowak, M. Münzenberg, Sci. Rep. 7, 4114 (2017).
Spinströme als Terahertz-Quelle
Terahertz-Wellen bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, sind bisher jedoch schwierig und nur eingeschränkt zu erzeugen. Ein neuartiges Konzept zur Erzeugung dieser elektromagnetischen Strahlung realisiert durch THz Spintronik. Emitter in Form einer dünnen Metallschicht kann das gesamte Terahertz-Spektrum erzeugen. Möglich macht dies die geschickte Nutzung der Spineigenschaft von Elektronen.
Auf Basis dieses Prinzips lassen sich effizientere Quellen bauen, die lückenlos über die große Bandbreite von 1 bis 30 Terahertz abstrahlen. Der Spin ist eine magnetische Eigenschaft der Elektronen und dafür verantwortlich, dass sich Strom in magnetischen Metallen anders verhält als in nichtmagnetischen. Dies Effekt wird in der neuen Quelle durch den inversen Spin-Hall-Effekt ausgenutzt, um den Elektronenfluss so zu steuern …
Originalveröffentlichung: T. Seifert et al., Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertz radiation, Nature Photonics 10, 483–488 (2016).
Attosekunden Magnetismus
Light wave dynamic control of magnetism
Elektronische Eigenschaften von Materialien lassen sich mittels Lichtabsorption direkt und unmittelbar innerhalb von weniger als einer Femtosekunde (10-15 Sekunden) beeinflussen, was als die Grenze für die maximal erreichbare Geschwindigkeit elektronischer Schaltkreise gilt. Ein Konsortium aus Forschenden der Max-Planck-Institute für Quantenoptik und Mikrostrukturphysik, des Max-Born Instituts, des Instituts für Physik der Universität Greifswald und der Technischen Universität Graz konnte nun erstmals die magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials auf der Zeitskala von elektrischen Feldschwingungen des Lichts – und somit synchron zu den elektrischen Eigenschaften – mittels Laserpulsen manipulieren. Die Beeinflussung konnte um den Faktor 200 beschleunigt werden und wurde mittels Attosekunden-Spektroskopie gemessen sowie zeitaufgelöst dargestellt. "Mit einem nur wenige Lichtzyklen kurzen Puls übersetzt die elektronische Anregung in eine Änderung der magnetischen Eigenschaften“, erklärt Martin Schultze,TU Graz. Aufgrund der Kombination eines Ferromagnets mit einem nicht-magnetischen Metall ließ sich die magnetische Reaktion im beschriebenen Experiment jedoch genauso schnell herbeiführen, wie die elektronische. „Durch die spezielle Konstellation konnten wir optisch eine räumliche Umverteilung der Ladungsträger bewirken, die eine direkt damit verknüpfte Änderung der magnetischen Eigenschaften zur Folge hatte“, so Markus Münzenberg. Er hat mit seinem Team in Greifswald die speziellen Materialsysteme entwickelt und hergestellt. Darüber hinaus konnten die Forschenden im Rahmen ihrer Messungen zeigen, dass der beobachtete Prozess kohärent verläuft, die quantenmechanische Wellennatur der bewegten Ladungsträger also erhalten bleibt, und durch die Grenzflächen kontrolliert werden können, wie die theoretischer Arbeiten mittels zeitaufgelöster Dichtefunktionaltheorie dazu von Sangeetha Sharma vom Max-Born Institut zeigen.
Publikation: "Light-wave dynamic control of magnetism", F. Siegrist, et al. Nature 570 (2019), advance online Nature Readcube Blog Phys.org
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Wiecker Brücke in Nano
Seit dem Sommer 2015 haben wir zwei neue Großgeräte, die Forschung auf extremen kurzen Zeit und kleinen Längenskalen erlauben. Mit Hilfe des Laserlithografiegerät ist es möglich dreidimensionale Elemente für die Medizinforschung zu produzieren. Als Teststruktur wurde die Wiecker Brücke hundertausendfach verkleinert, unter Benutzung der Original Vermessungsdaten - diese ist nun so klein, dass sie quer in ein Haar reinpasst. Unser Forschungsgebiet verbindet extreme Zeitskalen und extreme Längenskalen in neuartigen nanoelektronischen Bauelementen.
Link zum Fernsehbeitrag in der Mediathek des NDR Nordmagazin: www.ndr.de
