Magnetisch schalten mit weniger Energie

  • 13. November 2017

Antiferromagnetisches Dysprosium für schnellere magnetische Speicher.

Wissen­schaftler am Helmholtz-Zentrum Berlin HZB haben einen Mechanismus identi­fiziert, mit dem sich möglicher­weise schnellere und energie­sparendere magne­tische Speicher reali­sieren lassen. Sie verglichen, wie unter­schiedliche magnetische Ordnungen im Seltenerd-Metall Dysprosium auf einen kurzen Laser­puls reagieren. Dabei fanden sie heraus, dass sich die magne­tische Ordnung sehr viel schneller und mit deutlich gerin­gerem Energie­einsatz verändern lässt, wenn die magne­tischen Momente der einzelnen Atome nicht alle in dieselbe Richtung weisen, sondern gegen­einander verdreht sind.

Abb.: Ein kurzer Laserpuls trifft auf die Dysprosium-Probe und verändert deren magnetische Ordnung. Dies geschieht deutlich rascher, wenn das Dysprosium vorher antiferromagnetisch (li.) war als wenn es ferromagnetisch war. (Bild: HZB)

Abb.: Ein kurzer Laserpuls trifft auf die Dysprosium-Probe und verändert deren magnetische Ordnung. Dies geschieht deutlich rascher, wenn das Dysprosium vorher antiferromagnetisch (li.) war als wenn es ferromagnetisch war. (Bild: HZB)

Dysprosium ist nicht nur das Element mit den stärksten magne­tischen Momenten, sondern besitzt auch eine weitere interes­sante Eigen­schaft: Je nach Temperatur weisen in Dysprosium die magne­tischen Momente entweder alle in dieselbe Richtung (ferro­magnetisch) oder sind gegen­einander verdreht (antiferro­magnetisch). Somit lässt sich an ein und derselben Probe untersuchen, wie sich unter­schiedlich ange­ordnete magne­tische Momente verhalten, wenn sie durch einen äußeren Energie­puls angeregt werden.

Die Physikerin Nele Thiele­mann-Kühn hat nun an BESSY II diese Frage­stellung untersucht. Die Röntgen­quelle ermöglicht es als eine der wenigen Einrich­tungen weltweit, schnelle Prozesse wie die Störung magne­tischer Ordnung zu beobachten. Ihr Befund: In antiferro­magnetischem Dysprosium lässt sich die magne­tische Ordnung durch einen kurzen Laserpuls deutlich leichter umschalten als in ferro­magnetischem Dysprosium. „Das hängt damit zusammen, dass atomare magne­tische Momente mit einem Dreh­impuls wie bei einem sich drehenden Kreisel verknüpft sind“, erklärt Thiele­mann-Kühn. Einen rotie­renden Kreisel umzustoßen erfordert Kraft, da dessen Drehimpuls auf einen anderen Körper über­tragen werden muss.

„Albert Einstein und Wander Johannes de Haas haben schon 1915 in einem berühmten Experi­ment gezeigt, dass wenn sich in einem frei aufge­hängten Eisenstab die Magne­tisierung ändert, der Stab anfängt sich zu drehen: Die Dreh­impulse der atomaren Magnete werden an den Stab als Ganzes übertragen. Zeigen die atomaren magne­tischen Momente anfangs bereits in unter­schiedliche Richtungen, können sie ihre Dreh­impulse unter­einander austauschen, so als würde man zwei entgegen­gesetzt rotierende Kreisel gegen­einander drücken“, erläutert Gruppen­leiter Christian Schüssler-Lange­heine.

Die Über­tragung von Dreh­impuls benötigt Zeit. Eine antiferro­magnetische Ordnung, bei der diese Über­tragung nicht erfor­derlich ist, sollte sich deshalb schneller stören lassen, als eine ferromagne­tische Ordnung. Der experi­mentelle Beweis für diese Vermutung wurde jetzt in der Studie von Thiele­mann-Kühn und Kollegen erbracht. Darüber hinaus fand das Team auch heraus, dass der Energie­einsatz im Fall der antiferro­magnetischen Momente deutlich geringer ist als für den Fall der ferromagne­tischen Ordnung. Aus dieser Beobachtung leiten die Wissen­schaftler Vorschläge ab, wie sich durch eine Kombi­nation von ferro- und antiferro­magnetisch angeord­neten Spins Materialien entwickeln ließen, die als magne­tische Speicher geeignet sind und mit erheblich gerin­gerem Energie­einsatz umgeschaltet werden könnten, als konven­tionelle Magneten.

HZB / JOL

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