Spinelektronik
Spin Electronics

1) Magnetoelektronik - positiver Magnetwiderstand - negativer Magnetwiderstand - anisotroper Magnetwiderstand – AMR (Spin-Bahn-Kopplung und Magnetwiderstand) - Kolossaler Magnetwiderstand – CMR (Manganate, Goodenough-Kanamori-Anderson Regeln, Super- und Doppelaustausch) - Riesenmagnetwiderstand – GMR (Oszillierende Austauschkopllung, Austausch-Anisotropie, künstliche Antiferromagnete, Intrinsischer und extrinsischer GMR) - Spinventile - Tunnelmagnetwiderstand – TMR( elastisches Tunneln durch 1D-Barrieren, Normalleiter/Isolator/Normalleiter, Normalleiter/Isolator/Supraleiter-Kontakte, Ferromagnet/Isolator/Supraleiter-Kontakte, Quasiteilchen-Zustandsdichte in Supraleitern, Zustandsdichte und Spinpolarisation in Ferromagneten, Ferromagnet/Isolator/Ferromagnet-Kontakte und Julliere-Modell, Bandstruktur-Effekte, Spin-Filter) - Außergewöhnlicher Magnetwiderstand – EMR 2) Spinelektronik - Spininjektion in Halbleiter - Spin-Leuchtdioden und Spin-Transistoren 3) Anwendungen - XMR-Sensoren - Magnetoresistive Leseköpfe, Festplatten - Magnetic Random Access Memory – MRAM

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul ist der/die Studierende in der Lage

1. Magneto-resisitive Effekte (anistroper Magnetwiderstand, kolossaler Magnetwiderstand, Riesenmagnetwiderstand, Tunnelmagnetwiderstand) zu verstehen, zu erklären, und zu vergleichen
2. Magnetisierungs- sowie Magnetwiderstandskurven von ferromagnetischen Schichten und Multilagen als Funktion des Magnetfelds zu beschreiben
3. elementare Ferromagnete, einige technisch relevante weich- und hartmagnetische Materialien, sowie typische Materialien in magnetoelektronischen Schichtstrukturen mit den entsprechenden Materialparametern (Curie-Temperatur, Remanenz, Koerzitivfeld) zu benennen
4. Magnetwiderstandseffekte mit Boltzmann-Transport-Theorie bzw. Tunneln-Theorie im eindimensionalen Grenzfall zu berechnen
5. Ferromagnet/Supraleiter und Ferromagnet/Isolator/Supraleiter-Kontakte zu beschreiben
6. Anwendungsfelder für magneto-resistive Effekte zu benennen und zu analysieren

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

Das Modul besteht aus einer Vorlesung und einer Übung.

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert, dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte im Bereich Spinelektronik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen und das eigene analytisch-physikalische Denkvermögen gefördert.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und Simulationen basierend auf physikalischen Modellen die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Vortrag, Beamerpräsentation, Präsentationsunterlagen, Übungen in Einzel- und Gruppenarbeit, Diskussionen, begleitende Internetseite, ergänzende Literatur (Bücher und Online)

• R. Gross & A. Marx, Vorlesungsskript Spinelektronik, Walther-Meissner-Institut, Garching (2005).
• S. Blundell, Magnetism in Condensed Matter, Oxford University Press, New York (2001).
• R.C. O'Handley, Modern magnetic materials - principles and applications, Wiley, New York (2000).
• D.D. Awschalom, D. Loss, N. Samarth (eds.), Semiconductor Spintronics and Quantum Computation, Springer, Berlin (2002).
• S. Maekawa (ed.), Concepts in Spin Electronics, Oxford University Press, New York (2006).
• Michael Coey: Magnetism and Magnetic Materials (Cambridge University Press, 2009).
• Y. Xu, D.D. Awschalom, J. Nitta, Handbook of Spintronics (Springer, 2016).

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen, Diskussionen anhand von Skizzen und einfachen Formeln überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Was sind mögliche Austauschkopplugseffekte zwischen zwei ferromagnetischen Dünnfilmen?
• Welche Streumechanismen führen zum Auftreten des anomalen Hall Effekts in Ferromagneten?
• Auf welchen grundlegenden Mechanismen basiert der Riesenmagnetwiderstandseffekt?

Während der Prüfung sind keine Hilfsmittel erlaubt.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.