Bluefors-System, mK-Kryostat

Universität Wien

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Großgerät

Kurzbeschreibung

Die beobachteten Eigenanregungen der Elektronenspins in Ferro-, Ferri- und Antiferromagneten werden als Spinwellen bezeichnet und die entsprechenden Quasiteilchen als Magnonen. Das Forschungsfeld der Spinwellen in magnetischen Materialien wird heute als Magnonik bezeichnet und untersucht die Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Informationen in Paketen von Spinwellen. Der Zugang zum Millikelvin-Temperaturbereich, zusammen mit der Hochfrequenz-Mikrowellentechnologie, ermöglicht erste Schritte im Gebiet der Quantenmagnonik und eröffnet den Zugang zu hybriden opto-magnonischen Quantensysteme.

Der experimentelle Aufbau umfasst die Vakuumkanne mit dem Kryostaten und dem Magneten, den Probenlader, die Stromversorgung für den Magneten, externe Hochfrequenzkabel und einen mobilen Gerätekasten für zusätzliche Messinstrumente, wie zum Beispiel einem bis zu 70 GHz klassifiziertem Anritsu Vector Network Analyser (VNA). Der Kryostat ist in 4 verschiedene thermische Stufen unterteilt: 50-K-Flansch, 4-K-Flansch, Still-Flansch und Mischkammer.

▪ Basistemperatur 10 mK.
▪ 9-1-1 T supraleitender Vektormagnet.
▪ 4 reguläre und 4 supraleitende Mikrowellenübertragungsleitungen (aktiv bis 65 GHz).
▪ Aktive Schwingungsstabilisierung.
▪ Optischer Zugang von oben und unten (über Glasfaser).
▪ Ladesystem von unten (schnelle Abkühlung).

Ansprechperson

Andrii Chumak

Research Services

Quantenmagnonik
Magnonische Schaltungen im Nanomaßstab
Nicht-reziproke 3D-Architekturen für magnonische Funktionalitäten
Funktionale YIG-Schichten und -Mikrostrukturen
Spin-Orbit-Phänomene und Magnon-Spintronik
Kurvatur-induzierte Effekte in magnetischen Nanostrukturen
Neue Trends in der Supraleitung
Magnonische Fluxonik

Methoden & Expertise zur Forschungsinfrastruktur

Der Bereich der Magnonik arbeitet normalerweise mit kohärenten Magnonen bei Raumtemperatur. Die Dichte der sogenannten thermischen Magnonen, die sich im Gleichgewicht mit einem phononischen Bad eines Festkörpers befinden, beträgt etwa 10^18 cm^-3. Daher sind Operationen mit einzelnen Magnonen ohne den Einsatz kryogener Techniken nicht möglich. Die einfachste Schätzung unter Verwendung der Bose-Einstein-Verteilung zeigt, dass die thermische Magnonenpopulation bei 10 GHz und 100 mK etwa 0,01 beträgt, und heutzutage sind mK-Temperaturen mit kommerziellen Verdünnungskühlschränken ohne weiteres zugänglich. Im Vergleich zur Quantenoptik, die bereits ein etablierter Bereich der modernen Physik ist, bietet die Magnonik eine Reihe einzigartiger Eigenschaften, die auch für die übliche Raumtemperaturmagnonik gelten: Skalierbarkeit bis hinunter zur Atomgitter-Skala, Frequenzbereich von GHz bis zu Hunderten von THz, einfache Kontrolle der Magnonen durch elektrische Ströme und Felder, ausgeprägte natürliche Nichtlinearität und eine Vielzahl nicht-reziproker Phänomene.

Darüber hinaus stellt die hybride Quantenmagnonik einen vielversprechenden Weg dar, um die Lücke zwischen verschiedenen Quantentechnologien zu schließen. Sie bietet die einzigartige Kombination von Spin-, Phononen- und Photonen- (einschließlich Mikrowellen-) Quantensystemen und letztlich hochgradig integrierbare hybride Quantensysteme. Nachdem längere Kohärenzzeiten und -längen erreicht wurden, wird die integrierte Quantenmagnonik die Kopplung mit anderen Quantensystemen ermöglichen, was eine effiziente Interaktion zwischen den Teilsystemen und ihre gegenseitige interaktive Charakterisierung und Untersuchung verspricht.

Andrii Chumak
Nanomagnetism and Magnonics, Faculty of Physics
andrii.chumak@univie.ac.at
https://nanomag.univie.ac.at/
Der Kryostat kann im Rahmen gemeinsamer wissenschaftlicher Untersuchungen eingesetzt werden.