Professor Dr. Markus Münzenberg

In der Arbeitsgruppe Femtosekundenspektroskopie (fs) wird die Dynamik von Magnetisierungsprozessen in Nanostrukturen, Energiekonversion und Transporteigenschaften (im THz-Bereich) unter die Lupe genommen ...

Was sind die Grenzen ultraschneller Manipulation der Magnetisierung? Wir möchten mit unserer Forschung das Verständnis von Femtosekunden Spindynamik und Spintransport in magnetische Nanostrukturen zusammenbringen.

Forschungsinteresse

  • Spintransport und Spinelektronik, Magnonik
  • Femtosekundynamik in Ferromagneten und Topologischen Isolatoren
  • Nanostrukturierung für Biosysteme

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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).

Nature Photonics

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

Die kleinsten Elemente sind 800 nm groß. Die Laserlithografie erlaubt mit zwei-Photonen Prozessen das Schreiben von Elementen von 150nm. (Denker/Medvedev)

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