Arbeitsgruppe Prof. Hillebrands

New Materials and Heusler Compounds

The material class of Heusler compounds contains several promising candidates regarding their utilization in the field of spintronics and in particular magnon spintronics. The major reasons for the interest in Heusler compounds are their high Curie temperature, their high spin polarization, and their low magnetic Gilbert damping.

Spintronics can be regarded as an extension of conventional electronics by using the electrons’ spin as an additional degree of freedom for applications in data storage and sensing. Spintronic devices mainly rely on magneto-resistive effects such as the giant magneto resistance and tunneling magneto resistance. For the optimization of these effects, it is crucial to find materials with a high spin polarization such as the Heusler compounds. The field of magnon spintronics can largely benefit from the low Gilbert damping in some of the Heusler compounds. The major motivation behind magnon spintronics is an energy-efficient information transport and processing that is purely based on magnons, which are the fundamental excitations in a magnetic material. A major challenge in magnon spintronics is the identification and development of suitable low-damping materials for the realization of magnon conduits on the microscale. This challenge can be addressed by the utilization of Heusler compounds.

Heusler compounds have the general composition X2YZ or XYZ, where X and Y are transition metals, and Z is an element out of the main groups III-V. One of the most promising classes of Heusler materials is given by the cobalt-based compounds with the composition Co2YZ. The reason for both, the high spin polarization as well as the low Gilbert damping, is the half-metallic character of Heusler compounds. Half metallicity describes the different features in the band structure of minority and majority electrons close to the Fermi energy. For the minority electrons, a band gap can be found at the Fermi energy. In contrast to this, the majority spin channel exhibits a finite density of states at the Fermi level and, thus, metallic character.

Our group was a part of the joint Japanese-German research unit Advanced Spintronic Materials and Transport Phenomena (ASPIMATT) that successfully ended in 2015. The research initiative has addressed the development, the characterization, and the optimization of Heusler materials for the utilization in spintronics and magnon spintronics. The work package addressed by our group covers nonlinear spin-wave dynamics and radiation properties of small Heusler devices in the field of magnon spintronics.

Recent findings of our research about new materials and Heusler compounds are summarized in our Annual Report:

4.13 Control of the effective spin-wave damping in Heusler-Pt waveguides via the spin-transfer torque effect (318 kB)

4.14 Investigation of Co40Fe40B20 spin-wave waveguides (256 kB)

4.15 Study of the magnetic properties of epitaxial Fe/Pt bilayers for spin pumping measurements (683 kB)


Neue Materialien und Heusler-Legierungen

In der Materialklasse der Heusler-Verbindungen finden sich zahlreiche vielversprechende Kandidaten hinsichtlich der Verwendung in den Feldern der Spintronik und der Magnon-Spintronik. Die Hauptgründe für das Interesse an den Heusler-Materialien sind ihre hohe Curie-Temperatur, ihre hohe Spinpolarisation und ihre niedrige magnetische Gilbert-Dämpfung.

Die Spintronik stellt eine Erweiterung konventioneller Elektronik dar, die durch die Nutzung des Elektronenspins als zusätzlichen Freiheitsgrad zur Datenspeicherung und in der Sensorik realisiert wird. Spintronische Bauelemente stützen sich hauptsächlich auf Effekte wie den Riesenmagnetowiderstand oder den Tunnelmagnetowiderstand. Die Optimierung dieser Effekte setzt Materialien mit einer hohen Spinpolarisation wie die Heusler-Verbindungen voraus. Das Feld der Magnon-Spintronik kann wiederum hauptsächlich von der niedrigen Gilbert-Dämpfung in Heusler-Materialien profitieren. Die Hauptmotivation hinter der Magnon-Spintronik ist eine energieeffiziente Datenverarbeitung auf Basis von Magnonen, welche die fundamentalen Anregungen in einem magnetischen Festkörper sind. Eine der großen Herausforderungen der Magnon-Spintronik ist die Identifizierung und die Entwicklung von geeigneten Materialen für die Realisierung von magnonischen Wellenleitern auf der Mikrometerskala. Diese Herausforderung kann durch die Verwendung von Heusler-Materialien angegangen werden.

Heusler-Materialien zeigen eine generelle Zusammensetzung der Form X2YZ oder XYZ. Hierbei sind X und Y Übergangsmetalle, während Z ein Element aus den Hauptgruppen III-V ist. Eine der interessantesten Untergruppen von möglichen Heusler-Verbindungen ist die Gruppe der Kobalt-basierten Materialien der Form Co2YZ. Der Grund für die hohe Spinpolarisation sowie auch die geringe Gilbert-Dämpfung liegt in der halbmetallischen Natur der Heusler-Verbindungen. Dieser halbmetallische Charakter beschreibt die Unterschiede in der Bandstruktur der Majoritäts- und Minoritätsladungsträger insbesondere nahe der Fermi-Energie. Für die Minoritätselektronen lässt sich eine Bandlücke an der Fermi-Kante beobachten, während die Bandstruktur der Majoritätselektronen dort eine endliche Zustandsdichte, und damit metallischen Charakter, aufweist.

Unsere Gruppe war Teil der japanisch-deutschen Forschungsinitiative Advanced Spintronic Materials and Transport Phenomena (ASPIMATT), die im Jahr 2015 erfolgreich endete. Diese Initiative hatte die Entwicklung, Charakterisierung und Optimierung von Heusler-Materialien für die Verwendung in Spintronik und Magnon-Spintronik zum Ziel. Das Arbeitspaket, das in unserer Gruppe bearbeitet wurde, trägt den Titel Nonlinear spin-wave dynamics and radiation properties of small Heusler devices und befasste sich mit dem Gebiet der Magnon-Spintronik.

Neue Ergebnisse über neue Materialien und Heusler-Legierungen sind in unserem Jahresbericht zusammengefasst:

4.13 Control of the effective spin-wave damping in Heusler-Pt waveguides via the spin-transfer torque effect (318 kB)

4.14 Investigation of Co40Fe40B20 spin-wave waveguides (256 kB)

4.15 Study of the magnetic properties of epitaxial Fe/Pt bilayers for spin pumping measurements (683 kB)


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