Der Europäische Forschungsrat (ERC) hat seine Consolidator Grants (CoG) an 328 herausragende Forschende in 25 EU-Mitgliedstaaten mit einem Gesamtbudget von 678 Millionen Euro vergeben. Matthias Althammer, Forschungsgruppenleiter am Walther-Meißner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW), wurde mit einem dieser prestigeträchtigen Grants ausgezeichnet. Das mit dem Forschungsstipendium finanzierte Projekt zielt darauf ab, die antiferromagnetische Magnonik als Plattform für energieeffiziente Informationsverarbeitung zu etablieren.

English Version: Prestigious ERC Consolidator Grant awarded to Dr. Matthias Althammer

Energieeffiziente Informationsverarbeitung: ein neuartiges künstliches neuronales Netz mit geringem Stromverbrauch und hoher Arbeitsgeschwindigkeit

Im Projekt „Pseudospin-based Antiferromagnetic Magnonics (POSA)“ wird sich Matthias Althammer mit dem wichtigen Problem auseinandersetzen, dass in unserer informationsgetriebenen Gesellschaft die Nachfrage nach immer leistungsfähigeren und schnelleren Informationsverarbeitungssystemen ständig steigt – und das Gleiche gilt für den damit verbundenen Energieverbrauch. Es besteht daher ein dringender Bedarf an neuen Konzepten, die eine schnellere und vor allem energieeffizientere Informationsverarbeitung ermöglichen. Heute wird die Informationstechnologie noch von der Elektronik dominiert, bei der die Ladung der Elektronen für die Informationsverarbeitung verwendet wird. Neben ihrer Ladung besitzen die Elektronen aber auch einen Spin, der mit einem Drehimpuls und einem magnetischen Moment verbunden ist. Dieser Spin ist eine intrinsische Eigenschaft, die zwei diskrete Zustände entlang einer Quantisierungsachse annehmen kann, und ihn deshalb ideal für die binäre Informationskodierung macht. Daher wird der Spin bereits routinemäßig im Forschungsgebiet der Spintronik genutzt und erfolgreich zur Informationsspeicherung in nichtflüchtigen magnetischen Random Access Memories oder magnetischen Festplatten eingesetzt. Eine Schlüsselfrage ist, wie die im Spin-Freiheitsgrad kodierte Information effizient transportiert werden kann. Ein vielversprechender Ansatz ist hier die Nutzung der quantisierten Anregungen des magnetischen Gitters in elektrisch isolierenden Ferromagneten oder Antiferromagneten, den sogenannten Magnonen. Die Realisierung dieses Ansatzes steht im Mittelpunkt des Projekts POSA, in dem das gesamte Potenzial der antiferromagnetischen Magnonik erforscht werden soll. Ein wichtiges Ziel des Projekts ist die Realisierung sogenannter antiferromagnetischer Spin-Torque-Oszillatoren, die die Umwandlung von DC-Ladungsströmen in THz-Magnonen ermöglichen. Die einzigartigen Eigenschaften dieser Oszillatoren ermöglichen ihre Verwendung als künstliche Neuronen. Das ultimative Ziel ist es, diese künstlichen Neuronen über Magnonen zu verbinden, um ein künstliches Netzwerk aus feuernden Neuronen zu realisieren. Die Umsetzung dieses Konzepts bietet die Möglichkeit, ein neuartiges künstliches neuronales Netz mit geringem Stromverbrauch und hoher Arbeitsgeschwindigkeit zu schaffen. „Als Leiter der Forschungsgruppe freue ich mich sehr, dass Matthias Althammer in diesem hochkompetitiven Förderprogramm erfolgreich war. Der ERC-CoG wird es ihm ermöglichen, das volle Potenzial der antiferromagnetischen Magnonik in den kommenden Jahren zu erforschen“, sagt Rudolf Gross, wissenschaftlicher Direktor am WMI. „Das Forschungsstipendium ist auch eine Anerkennung für die exzellente Forschung am WMI und unsere kontinuierlichen Bemühungen, talentierte junge Forscher zu fördern“, fügt er hinzu.

Aufbauen auf exzellenter Forschung und Infrastruktur

In den letzten Jahren haben Forschende am WMI bereits erfolgreich antiferromagnetische Isolatoren auf ihre einzigartigen Eigenschaften in Bezug auf den Spin-basierten Informationstransport untersucht. Bei einem ferromagnetischen Material sind die lokalisierten magnetischen Momente alle parallel ausgerichtet. Bei einem Antiferromagneten sind die benachbarten lokalisierten magnetischen Momente dagegen antiparallel angeordnet, weshalb er nach außen keine Nettomagnetisierung aufweist. Obwohl diese Eigenschaft die Beeinflussung von Antiferromagneten durch äußere Magnetfelder erschwert, führt sie zu wesentlich höheren Magnonenfrequenzen in Antiferromagneten bis in den Terahertz-Bereich. Aus diesem Grund wurde die antiferromagnetische Magnonik bereits in den letzten zehn Jahren intensiv untersucht. Ein einzigartiger Aspekt ist, dass die Magnonen in Antiferromagneten in Paaren mit entgegengesetzter Chiralität auftreten, d. h. in Paaren von „Spin-up“- und „Spin-down“-Magnonen. In jüngsten Experimenten hat die Forschungsgruppe am WMI mit theoretischer Unterstützung durch Akashdeep Kamra von der RPTU Kaiserslautern-Landau gezeigt, dass diese beiden Spin-Zustände experimentell zugänglich und manipulierbar sind. Matthias Althammer sagt: „Dies ist der erste Schritt zu einem Spin-basierten magnonischen Konzept, das großes Potential für zukünftige Informationsverarbeitungskonzepte besitzt. Mit der Förderung durch den ERC können wir nun energieeffiziente Methoden für die Erzeugung, Manipulation und Detektion von magnonischem Spintransport in antiferromagnetischen Isolatoren entwickeln.“ Ein entscheidender Vorteil antiferromagnetischer Isolatoren besteht darin, dass die Elektron-Magnon-Streuung unterdrückt wird, was den Stromverbrauch solcher Systeme verringert

Über die ERC Consolidator Grants

Der ERC vergibt Consolidator Grants (ERC-CoG) an etablierte Forschende mit 7-12 Jahren Erfahrung seit Abschluss der Promotion, die herausragende wissenschaftliche Leistungen vorweisen können und einen exzellenten Forschungsantrag vorlegen. Die Mittel werden über das EU-Programm Horizon Europe bereitgestellt. Die Forschungsstipendien, die bis zu 2 Mio. EUR für einen Zeitraum von 5 Jahren beinhalten, sind sehr prestigeträchtig, die Erfolgsquote recht niedrig. In der letzten Runde wurden nur 14,2 % der insgesamt 2.313 eingereichten Vorschläge für eine Finanzierung ausgewählt.

Über den Preisträger

Matthias Althammer wurde 2012 an der TU München mit der Entdeckung eines neuen Magnetwiderstandseffekts promoviert, der heute als Spin-Hall-Magnetwiderstand bezeichnet wird. Nach seiner Promotion forschte er ein Jahr als Postdoc an der University of Alabama, USA, am Materials for Information Technology Center in der Gruppe von Arunava Gupta an Spintransporteffekten in oxidischen Materialien. Nach einem kurzen Abstecher in die Industrie, wo er als technischer Berater bei der BMW AG tätig war, gründete er 2015 seine Nachwuchsgruppe am WMI. Mit dieser Gruppe leitete er die Forschungsaktivitäten am WMI, die sich auf Spintransportphänomene und Spinanregungen in magnetischen Isolatoren und Metallen konzentrieren. 2021 schloss Matthias Althammer seine Habilitation an der TU München ab und wurde 2023 Privatdozent an der TU München im Fachbereich Physik. Neben seiner exzellenten Forschung hat sich Matthias Althammer um die Ausbildung und Förderung junger Talente verdient gemacht und wurde 2022 mit dem PhD Supervisory Award der Fakultät für Physik der TU München ausgezeichnet.

Kontaktdaten:

PD Dr. Matthias Althammer, Prof. Dr. Rudolf Gross
Walther-Meißner-Institut
Bayerische Akademie der Wissenschaften & Technische Universität München
Walther-Meißner-Straße 8, D-85748 Garching
www.wmi.badw.de