Ultraschnelle Ummagnetisierung bringt Überraschung

  • 31. March 2011

Ultraschnelle Ummagnetisierung bringt Überraschung

Ein Ferrimagnet wird nach Anregung durch einen Femtosekunden-Laserpuls vorübergehend ferromagnetisch.

Ferro- und Antiferromagnetismus kommen nicht durch magnetische Kräfte zwischen den Elektronenspins zustande sondern durch die Austauschwechselwirkung, die auf einem Zusammenspiel von Coulomb-Kraft und Pauli-Prinzip beruht. Stört man die Spins, so werden sie durch die Austauschwechselwirkung sofort, d.h. in weniger als 100 fs, wieder ins Gleichgewicht gebracht. Wie sich die Spins bei Anregung auf einer solch kurzen Zeitskala verhalten, ist noch weitgehend unerforscht. Da bleiben Überraschungen nicht aus: Niederländische Forscher berichten, dass ein Ferrimagnet nach Anregung durch einen fs-Laserpuls vorübergehend ferromagnetisch wird.

Abb.: Im Ferrimagneten GdFeCo zeigen die Gd- und die Fe-Spins in entgegengesetzte Richtung. Ein Laserpuls lässt die Fe-Spins schneller ihre Richtung umkehren als die Gd-Spins, sodass das Material vorübergehend ferromagnetisch wird. (Bild: I. Radu et al., Nature)

Theo Rasing in seine Kollegen von der Radboud Universität in Nijmegen haben eine dünne Schicht des amorphen Ferrimagneten Gd25Fe65,6Co9,4 auf 83 K gekühlt und in einem Magnetfeld mit Laserpulsen von 60 fs Dauer bestrahlt. Im Anschluss an jedem Puls haben sie die zeitliche Entwicklung der Magnetisierung mit Röntgenstrahlen beobachtet. Im GdFeCo bilden die Spins der Gd-Atome bzw. der Fe- und Co-Atome jeweils ein ferromagnetisches Untergitter. Die beiden Untergitter sind antiferromagnetisch gekoppelt, sodass sie entgegengesetzt magnetisiert sind. Ihre Magnetisierungen sind normalerweise unterschiedlich stark, sodass das Material nicht antiferromagnetisch sondern ferrimagnetisch ist.

Die beiden Untergittermagnetisierungen des GdFeCo unterscheiden sich auch in ihrer Temperaturabhängigkeit. Bei einer bestimmten Temperatur kompensieren sie sich und das Material wird antiferromagnetisch. Oberhalb dieser Kompensationstemperatur ist das Material wieder ferrimagnetisch, allerdings mit umgekehrter Magnetisierung. So kann mit einem ultrakurzen Laserpuls, der das Material über die Kompensationstemperatur erhitzt, die Magnetisierung umkehren. Dieses Verfahren zur Ummagnetisierung ist wesentlich schneller als andere Verfahren, die auf der Wirkung von gepulsten Magnetfeldern beruhen. Auf diese Weise könnte man Daten ultraschnell magnetisch speichern.

Um die vom Laserpuls in Gang gesetzte zeitliche Entwicklung der beiden Untergittermagnetisierungen zu verfolgen, nutzten die Forscher den zirkularen magnetischen Röntgendichroismus der Schicht aus. Dazu durchleuchteten sie die Schicht mit rechts- bzw. linkszirkular polarisierten Röntgenstrahlen, die aufgrund der ausgerichteten Spins unterschiedlich gut durchgelassen wurden. Dadurch dass sie die Wellenlänge der Röntgenstrahlen auf eine Gd- bzw. Fe-Röntgenabsorptionskante abstimmten, konnten sie die Magnetisierung des Gd- bzw. des Fe-Co-Untergitters getrennt voneinander beobachten.

Es zeigte sich, dass nach Eintreffen des Lichtpulses und der anschließenden ultraschnellen Erwärmung die Magnetisierungen der beider Untergitter sehr schnell abnahmen. Während die Entmagnetisierung des Fe-Untergitters 300 fs benötigte, war das Gd-Untergitter erst nach 1,5 ps entmagnetisiert. Anschließend bauten sich beide Magnetisierungen mit umgekehrtem Vorzeichen wieder auf, ohne jedoch ihre ursprünglich Größe zu erreichen.

In der Zeit zwischen 300 fs und 1,5 ps war die anfängliche Gd-Magnetisierung noch nicht verschwunden, während die Fe-Magnetisierung sich schon umgekehrt hatte. In diesem Zeitintervall war das GdFeCo somit zum Ferromagneten geworden, obwohl zwischen den beiden Untergittern weiterhin eine antiferromagnetische Kopplung bestand. Die Spindynamiken der beiden Untergitter unterschieden sich, obwohl die seit dem Eintreffen des Laserpulses vergangene Zeit viel größer war als die Zeitskala, auf der die zwischen den Untergittern wirkende Austauschwechselwirkung die Spins wieder ins Gleichgewicht bringen sollte.

Das überraschende zeitliche Verhalten der Spins, das nach Meinung der Forscher kaum durch äußere Magnetfelder beeinflusst wird, könnte neue Verfahren zur ultraschnellen magnetischen Datenspeicherung ermöglichen. Wo deren Geschwindigkeitsgrenzen liegen, ist noch offen.

Rainer Scharf

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