Magnetwellen durch lichtinduzierte Rotation von Atomen

  • 26. October 2016

Terahertz-Anregung von Kristall­schwingungen treibt Spin­dynamik an.

Die Kontrolle funktionaler Eigenschaften durch Licht ist eines der großen Ziele moderner Fest­körper­physik und der Material­wissen­schaften. Eine neue Studie zeigt, wie die ultra­schnelle, licht­indu­zierte Modu­lation atomarer Posi­tionen in einem Material zur Kontrolle seiner Magneti­sierung verwendet werden kann. Ein inter­natio­nales Forschungs­team unter der Leitung von Andrea Caval­leri vom MPI für Struktur und Dynamik der Materie verwendete Tera­hertz-Pulse, um in einem magne­tischen Kristall paar­weise Gitter­schwin­gungen anzu­regen. Diese kurzen Strah­lungs­pulse erzeugten eine Rota­tion der Gitter­ionen um ihre Ursprungs­posi­tionen, welche wie ein ultra­schnelles, effek­tives Magnet­feld auf die Elek­tronen­spins wirkte und somit eine magne­tische Welle auf kohä­rente Weise stimu­lierte. Diese Erkennt­nisse setzen ein wichtiges Zeichen für die Art und Weise der Wechsel­wirkung von Licht mit Materie und begründen einen neu­artigen Ansatz in der Kontrolle von Magne­tismus mit Tera­hertz-Geschwin­dig­keit. Sie könnten daher für Magnet­speicher­techno­logien rele­vant sein.

Rotierende Atome

Abb.: Lichtinduzierte Rotationen der Atome (Spiralen) er­zeugen kohä­rente Bewe­gungen der Elek­tronen­spins (blaue Pfeile; Bild: MPSD).

Mikroskopische Wechselwirkungen zu verstehen und kollektive Anre­gungen zu steuern, um Material­funk­tionen maß­zu­schneidern, ist eine treibende Kraft in der Physik der konden­sierten Materie und den Material­wissen­schaften. Chemische Substi­tution oder die Anwen­dung äußerer Stör­fak­toren gehören zu den konven­tionellen, statischen Ansätzen zur Verän­derung und Beein­flus­sung von Material­eigen­schaften. Ein konzep­tionell anderer Ansatz besteht in der ultra­schnellen, dyna­mischen Modu­lation von Material­para­metern. In diesem Fall hat sich die direkte Anre­gung von Schwin­gungen des Kristall­gitters in Fest­körper­systemen durch ultra­kurze und ultra­inten­sive Tera­hertz-Licht­pulse als extrem effi­ziente Strategie für die Material­kontrolle erwiesen. Der Ursprung dieses nicht­linearen Phononik liegt in der nicht­linearen Natur des Kristall­gitters begründet. Dadurch kann ein Phonon, das durch Laser­licht auf große Aus­len­kungen ange­regt wurde, Energie an andere, nieder­frequen­tere Schwin­gungs­moden über­tragen. Diese nicht­lineare Phonon-Phonon-Kopplung führt zu einer vorüber­gehenden, gerich­teten und selek­tiven Verzer­rung der Kristall­struktur. Der Effekt im extrem wichtig für komplexe Materi­alien, in denen makro­sko­pische elek­tro­nische Eigen­schaften eng mit der atomaren Anord­nung ver­knüpft sind.

Im Bestreben diese Prinzipien zu verallgemeinern und zu zeigen, dass die kohä­rente Anre­gung von Phononen nicht nur die Kristall­struktur beein­flussen, sondern auch andere Eigen­schaften wie die Magne­ti­sierung direkt kontrol­lieren kann, hat das Team die Stimu­lation des magne­tischen Materials Erbium-Ortho­ferrit mit Tera­hertz-Strahlung unter­sucht. Zunächst regten die Wissen­schaftler ein einzelnes Phonon an und beob­ach­teten die typische Signatur nicht­linearer Phononik, also den Energie­transfer zu nieder­frequen­teren Gitter­schwin­gungen. Die Schlüssel­idee, um über diese konven­tionelle Beob­achtung hinaus­zu­gehen, war es, die Wirkung zweier verschie­dener, ortho­gonaler Phononen zu kombi­nieren. Durch die leicht verschie­denen Fre­quen­zen der beiden Moden begannen die Atome des Kristall­gitters um ihre ursprüng­lichen Posi­tionen zu rotieren, was ein zirkular polari­siertes Phonon­feld erzeugte. Diese Bewegung führte zu einer dyna­mischen Modu­lation des von den Elek­tronen wahr­genommenen elek­trischen Feldes, die ihre Orbital­bewegung störte. Als Konse­quenz wurde eine hoch­frequente Magnet­welle – eine kollek­tive Anre­gung der Elek­tronen­spins – hervor­ge­rufen.

„Das ist das erste Mal, dass eine direkte und kohä­rente Kontrolle von Spins durch Gitter­schwin­gungen beob­achtet wurde“, sagt Tobia Nova, Dokto­rand am MPSD. Das Experi­ment demon­striert erfolg­reich, dass ein Energie­aus­tausch zwischen stimu­lierten Phononen und magne­tischen Anre­gungen bei gleich­zei­tiger Verfor­mung der Spin­an­ord­nung eines Materials möglich ist und somit zu einer ultra­schnellen Kontrolle seiner Magne­ti­sierung führt. Die Aus­lenkung der Magnet­welle skaliert quadra­tisch mit der elek­trischen Feld­stärke der Tera­hertz-Strahlung. Eine moderate Erhöhung der Feld­stärke könnte daher zu immenser Phonon-getrie­bener magne­tischer Dynamik und möglicher­weise zu magne­tischen Schalt­vor­gängen führen. Da der Effekt im Tera­hertz-Frequenz­bereich erzeugt wird, könnte sich eine Anwen­dung in neuen Bau­teilen er­geben, die mit solch hohen Geschwin­dig­keiten arbeiten.

Mögliche Anwendungen zirkular polarisierter Phononen könnten sich auch weit über die Kontrolle der Magne­ti­sierung hinaus ergeben. Es konnte bereits gezeigt werden, dass eine zeit­ab­hängige Störung in der Form zirkular polari­sierten Lichts Ober­flächen­eigen­schaften in der neu­artigen Material­klasse der topo­lo­gischen Isola­toren beein­flusst. Zudem wurde vorher­gesagt, dass eine solche Störung entspre­chende topo­logische Zustände in Graphen erzeugen könnte. Auf ähn­liche Weise könnte auch Phononen-getriebene Floquet-Physik durch Gitter­rota­tionen erzeugt werden.

MPDS / RK

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