Spinwellen

Spinwellen sind kollektive Anregungen des Spinsystems in magnetisch geordneten Materialien. Im Quantenbild werden sie als Magnonen beschrieben, Quanten der Spinwelle. In ferromagnetischen und antiferromagnetischen Kristallen treten Spinwellen als Fluktuationen der magnetischen Ordnung auf, die sich als Wellen ausbreiten, wenn kleine Auslenkungen der Spinrichtungen entstehen.

Theorie und Eigenschaften: In der linearen Spinwellentheorie lassen sich die Anregungen als Superposition von Wellen mit einem Wellenvektor k darstellen. Die Dispersionsrelation ω(k) hängt von Austauschwechselwirkungen J, magnetischer Anisotropie und der Kristallgeometrie ab. Für ein ideales Ferromagneten verläuft die Energie der Magnonen bei kleinen k annähernd proportional zu k^2, während bei Antiferromagneten die Dispersion im kleinen k-Bereich oft linear in k ist.

Nachweis und Messung: Inelastische Neutronstreuung misst ω(k) direkt und liefert die Magnonendispersion. Brillouin-Lichtstreuung (BLS) ermöglicht Untersuchungen in dünnen Filmen und Nanostrukturen. Ferromagnetische Resonanz (FMR) erfasst resonante Frequenzen der Spinwellen.

Bedeutung und Anwendungen: Spinwellen sind zentrale Konzepte in der Magnonik und Spintronik. Sie bieten Möglichkeiten zur Informationsübertragung und -verarbeitung mit potenziell geringeren Verlusten, etwa durch Nutzung magnonischer Wellen statt elektrischer Ströme. Sie treten in vielen Materialien auf, von Übergangsmetalloxiden bis hin zu dünnen Filmsystemen.

Geschichte: Die Theorie der Spinwellen geht auf Arbeiten von Bloch in den 1930er-Jahren zurück; der Begriff Magnon wurde später geprägt.