Laserinduzierte Spindynamik in Ferrimagneten: Wohin geht der Drehimpuls?
Experimente an der Femtoslicing-Anlage von BESSY II zeigten den ultraschnellen Drehimpulsfluss von Gd- und Fe-Spins zum Gitter während der Entmagnetisierung der GdFe-Legierung. © R. Abrudan/HZB
Durch intensive Laserpulse kann die Magnetisierung eines Materials sehr schnell manipuliert werden. Magnetisierung wiederum ist fundamental mit dem Drehimpuls der Elektronen im Material verbunden. Ein Forscherteam des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) konnte nun an BESSY II den Drehimpulstransfer in einer ferrimagnetischen Eisen-Gadolinium-Legierung im Detail verfolgen. Dabei gelang es ihnen, am Femtoslicing-Experiment bei BESSY II die ultraschnelle optische Entmagnetisierung zu vermessen und deren grundlegende Prozesse und Geschwindigkeitsgrenzen zu verstehen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
Die Belichtung mit einem ultrakurzen Laserpuls erlaubt es, ein Material sehr schnell zu entmagnetisieren - für die prototypischen Ferromagnete Eisen, Kobalt und Nickel zum Beispiel wird die Magnetisierung innerhalb von etwa einer Pikosekunde (10-12 s) nach dem Auftreffen des Laserpulses auf das Material ausgelöscht. Daraus ergibt sich die Frage, über welche Kanäle der mit der Magnetisierung verbundene Drehimpuls während der kurzen verfügbaren Zeit auf andere Reservoire übertragen wird.
Nun konnte eine internationale Kooperation von Forschenden bei BESSY II den Drehimpulstransfer in einer Probe aus Eisen-Gadolinium erstmals im Detail verfolgen. An der Studie unter Federführung von Dr. Ilie Radu (MBI) und Prof. Stefan Eisebitt (TU Berlin, MBI) haben auch Teams des HZB sowie der Nihon University in Japan mitgewirkt.
Experiment an der Femtoslicing Beamline
Die Eisen-Gadolinium-Probe ist ferrimagnetisch: benachbarte Eisen (Fe)- und Gadolinium (Gd)-Atome sind in entgegengesetzter Richtung magnetisiert. Die Proben wurden zunächst mit Laserstrahlung angeregt und dann mit ultrakurzen, zirkular polarisierten Röntgenpulsen an der Femtoslicing-Beamline von BESSY II untersucht. Dadurch ließ sich die unterschiedliche magnetfeldabhängige Absorption zirkular polarisierter Röntgenpulse durch die Fe- und Gd-Atome als Funktion der Zeit beobachten.
Dieser Ansatz ermöglicht es, die ultraschnelle Entmagnetisierung sowohl beim Element Eisen als auch beim Gadolinium jeweils einzeln zu verfolgen. Darüber hinaus ist es sogar möglich, bei der Analyse der jeweiligen Absorptionsspektren zwischen dem in der Bahnbewegung und im Spin der Elektronen gespeicherten Drehimpuls zu unterscheiden.
Mit diesem detaillierten "Röntgenbild" fanden die Wissenschaftler heraus, dass während des Entmagnetisierungsprozesses der GdFe-Legierung der Drehimpuls von Gd- und Fe-Spins zu den Orbitalmomenten und schließlich zum Gitter fließt. Und zwar auf einer Zeitskala von weniger als einer Picosekunde.
Schnellere Datenspeicherung
Da kurze Laserpulse auch zum permanenten Umschalten der Magnetisierung und damit zum Schreiben von Bits für die magnetische Datenspeicherung verwendet werden können, ist der Einblick in die Dynamik dieser grundlegenden Mechanismen von großer Bedeutung, um neue Ansätze zu entwickeln, die es ermöglichen, Daten viel schneller als heute auf Massenspeichermedien zu schreiben.
- Katalyseforschung mit dem Röntgenmikroskop an BESSY IIAnders als in der Schule gelernt, verändern sich manche Katalysatoren doch während der Reaktion: So zum Beispiel können bestimmte Elektrokatalysatoren ihre Struktur und Zusammensetzung während der Reaktion verändern, wenn ein elektrisches Feld anliegt. An der Berliner Röntgenquelle BESSY II gibt es mit dem Röntgenmikroskop TXM ein weltweit einzigartiges Instrument, um solche Veränderungen im Detail zu untersuchen. Die Ergebnisse helfen bei der Entwicklung von innovativen Katalysatoren für die unterschiedlichsten Anwendungen. Ein Beispiel wurde neulich in Nature Materials publiziert. Dabei ging es um die Synthese von Ammoniak aus Abfallnitraten.
- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.
- Die Zukunft der Energie: Empfehlungen der Wissenschaft an die PolitikExpert*innen des HZB haben ihr Fachwissen in den hier kurz vorgestellten Positionspapieren eingebracht.
Zu den Themen gehören die Entwicklung innovativer Materialien für eine nachhaltige Energieversorgung und die Kreislaufwirtschaft.
Fachleute aus verschiedenen Bereichen haben gemeinsam Lösungen und Handlungsempfehlungen formuliert.