Super Insulator Spintronics

Vår visjon er å utvikle en banebrytende isolator-spinntronikk. I spinntroniske kretser brukes ikke primært elektronets ladning som informasjonsbærer, men snarere elektronets indre rotasjon, elektronets spinn. I magnetiske isolatorer er det ingen elektriske strømmer, men spinnet kan forflytte seg i form av spinn-bølger. Vi ønsker å utvikle isolerende spinntronikk slik at det kan bli integrert med konvensjonell elektronikk. Den mest sentrale utfordringen er å forstå hvordan spinn-bølger i magnetiske isolatorer er koplet til elektriske strømmer i tilstøtende normal metaller. Vi vil utvikle en forståelse av hvordan elektrisk strøm kan overføre spinn fra vanlige metaller til magnetiske isolatorer. Videre vil vi finne ut hvor langt spinn-bølger kan forplante seg ved å modellere samspillet mellom dem og gitt-vibrasjonene i materialet. Siden isolator-spinntronikk ikke involverer elektroner som forflytter seg, kan de sende signaler med liten eller null motstand. Vi forventer derfor at slike nye kretser kan bruke radikalt mye mindre energi. I den første rapporteringsperioden har vi sett på overføring av spinn informasjon fra en antiferromagnetisk isolator til en ferromagnetisk isolator. Nye eksperimenter viser at spinn kan bli sendt eller pumpet fra en roterende ferromagnet via en antiferromagnet i kontakt med et normalt metall. Vi utvikler en mikroskopisk beskrivelse av hvordan overførselen av spinn-informasjon skjer of vil bruke den til å forbedre vår forståelse av dagens eksperimenter. I den andre rapporteringsperioden, har vi undersøkt hvordan dynamiske antiferromagnet pumper spinn inn i elektriske ledere. Den høye antiferromagnetiske resonans frekvensen er en utfordring for eksperimentelle målinger, men vi demonstrerer hvordan vi kan bruke magnetiske felt for å redusere disse resonans frekvensene. I nærheten av spin-flip overgangen er det en stor økning av dc spinn pumping og inverse spin Hall spenninger i antiferromagnetene MnF2 og FeF2. I den tredje rapporteringsperioden viser vi at det er en sterk ikke-lokal kobling mellom antiferromagneter og ferromagneter i mikrobølgekaviteter. Mikrobølger kobler seg til spinnene i både ferromagneter og antiferromagneter. Selv om magnonene i ferromagneter og antiferromagneter er svært forskjellige, kan de påvirke hverandre via en kobling til samme mikrobølgemode i en kavitet. Vi finner uttrykk for koblingsstyrken. Koplingen mellom antiferromagneter og ferromagneter er overraskende sterk og tilsvarer koblingen mellom to ferromagneter. I fjerde rapporteringsperiode tar vi i bruk den nylige oppdagelsen av magnetisme i todimensjonale van der Waals-systemer til å oppdage spennende fysikk. Vi undersøker hvordan en strøm kan kontrollere de ferromagnetiske egenskapene til slike materialer. Ved hjelp av symmetri-argumenter identifiserer vi et nylig realisert system hvor dreiemoment indusert fra strømmen på magnetiseringen er spesielt enkelt og kraftig. I Fe3GeTe2 bestemmer en enkelt parameter styrken på denne effekten som virker som en effektiv fri energi. Dette bidraget gir opphav til nye magnetiske anisotropier i systemet. Våre resultater muliggjør enestående kontroll og gir mulighet til å studere Berezinskii-Kosterlitz-Thouless-faseovergangen i 2D XY-modellen og tilhørende kritiske eksponenter.

The research results by SpInS are expected to provide significant guidance for experiments studying interfaces between antiferromagnetic insulator spintronics and conventional electronics. The results provide a clear guideline for which materials and experimental conditions are the most optimal for use in experiments involving electrical injection and detection of spin currents in antiferromagnetic insulators. Antiferromagnetic insulator spintronics shows promise for future applications in nanocomputing, with the main selling points being a low energy consumption and operations on a time-scale that can be 100-1000 times faster than current computer-processor speeds. Our results are expected to be of value for experiments investigating the electrical generation and detection of spin signals in antiferromagnetic insulators, which will further develop our understanding of these signals.

To realize our long term vision of groundbreaking insulator spintronics, we aim for a breakthrough in the fundamental understanding of electric signal generation, manipulation, transmission, and detection of spin-waves (magnons) in magnetic insulators. The insulator spintronics will be developed to integrate with conventional electronics. The most critical R&D challenge is to develop an understanding of how spin waves in magnetic insulators are coupled to electric currents in adjacent normal metals. First, we will treat spin-waves as classical variables. We will develop a quantitative understanding of how electric currents can induce spin transfer from normal metals to magnetic insulators that in turn excite dynamic magnetization modes. This will widen the applicability of first intriguing experimental results on the transmission of electric signals by spin-wave interconversion in magnetic insulators, published in Nature in 2010, but not yet reproduced by other experimental groups. Furthermore, we will address how long spin waves propagate by modelling the interaction between magnons and lattice vibrations (phonons) and study if phonons can be used to manipulate the magnetic order. Second, we will explore the ultimate quantum limit of magnonic supercurrents. At sufficient density, magnons condense into a single Bose quantum state which supports dissipationless transport over macroscopic distances. Spectroscopically generated magnon condensates have been observed at room temperature. We will elucidate if magnon condensation can be electrically induced and controlled at room temperature so that it can enable dissipationless spin-transport over large distances. Because insulator spintronics do not contain moving charges, they transmit signals at little or even zero power. Given the importance of electronics in today's society, we anticipate a radical paradigm shift in equipment development and ICT, as well as radically decreased energy usage.