Forschung

Auf der Suche nach dem Drehimpuls

30.01.2019 - Ultraschneller Einstein-de-Haas-Effekt in ferro­magnetischer Eisenschicht nach­gewiesen.

Im Jahr 1915 berichteten Albert Einstein und Wander de Haas, dass ein aufge­hängtes Eisen­stäbchen sich zu drehen beginnt, wenn seine Magne­tisierung durch Anlegen eines äußeren Magnetfelds geändert wird. Diese faszi­nierende Beo­bachtung dient immer noch als Lehrbuch­beispiel für den Zusammen­hang zwischen Magnetismus und Drehimpuls. Neue Fragen in diesem Zusammen­hang kamen jedoch auf, als vor rund zwanzig Jahren das Phänomen der „ultraschnellen Entmagne­tisierung“ entdeckt wurde. Dort geht die Magne­tisierung innerhalb von Pikosekunden oder noch schneller verloren. Die Frage „Wo bleibt der Drehimpuls?“ wurde seitdem eifrig diskutiert. Ein Team von Physikern der ETH Zürich, des Paul Scherrer Instituts und des SLAC National Accelerator Labora­tory (USA) liefern nun die Antwort.

Die Forscher zeigen, dass in einem ferro­magnetischen Eisenfilm der Hauptteil des Drehimpulses auf das Gitter über­tragen wird, wodurch das Material leicht verdreht wird wenn sich seine Magne­tisierung ändert. Der Nachweis, dass in diesem Szenario ein ultra­schneller Einstein-de-Haas-Effekt am Werk ist, schließt andere Erklärungen aus und sollte Anhalts­punkte dafür bieten, wie die ultra­schnelle Entmagne­tisierung tech­nologisch genutzt werden kann.

In ferro­magnetischen Materialien richten sich die magne­tischen Momente unzähliger Elektronen aus, um die charak­teristisch starke Magne­tisierung zu erzeugen. Die Elektronen dienen als Elementar­magnete, wirken aber aufgrund ihres intrin­sischen Dreh­impulses auch als Miniatur-Gyroskope. Wenn die makro­skopische Magne­tisierung eines ferro­magnetischen Materials geändert wird, dann ändert sich folglich unver­meidlich auch der begleitende Drehimpuls. Die Drehimpuls­erhaltung verlangt dann, dass diese Änderung kompensiert wird. Für ferro­magnetische Materialien ist der mit ausge­richteten Elektronen­spins verbundene Drehimpuls stark genug, um ihn in eine mecha­nische Drehung umzu­wandeln, wenn der Drehimpuls auf das Gitter übertragen wird. Dies ist, was Einstein und de Haas gezeigt haben, ein Jahrzehnt vor der Einführung des zugrunde liegenden Spin­konzepts.

Bei der ultra­schnellen Entmagne­tisierung ist es schwieriger, zu verfolgen, was mit dem Drehimpuls passiert. Dies vor allem, weil die relevanten Zeit­skalen extrem kurz sind: in den letzten zwei Jahr­zehnten wurde gezeigt, dass in mehreren metallischen Ferro­magneten ein intensiver Laserpuls die Magne­tisierung des Materials innerhalb von weniger als 100 Femto­sekunden verschwinden lassen kann. Dies ist interessant mit Hinblick auf schnelle optisch gesteuerte Elektronik­bausteine, aber der Fort­schritt auf diesem Gebiet wird dadurch gebremst, dass die mikro­skopischen Mechanismen, die diesem Phänomen zugrunde liegen, noch unvoll­ständig verstanden sind. Das Team um Steven Johnson zeigt nun, wie der Drehimpuls, der durch die Abnahme der magne­tischen Ordnung aus dem Spin­system verloren geht, innerhalb kürzester Zeit durch das Gitter absorbiert wird.

Um Zugang zu den kurzen Zeitskalen zu erhalten, auf denen sich die ultra­schnelle Entmagne­tisierung abspielt, nutzte das Team die Linac Coherent Light Source (LCLS) im SLAC National Acce­lerator Labora­tory zur Durchführung von zeitauf­gelösten Femto­sekunden-Röntgen­beugungs­experimenten. Ihr Experiment war so konzipiert, dass Verfor­mungen, wie sie bei der Übertragung des Drehimpulses auf das Gitter erwartet werden, mit hoher Empfind­lichkeit gemessen werden können. Die Forscher untersuchten einen Eisenfilm mit einer Dicke von einigen zehn Nanometern und fanden, dass die laser­induzierte Entmagnetisierung eine trans­versale Dehnungs­welle auslöst, die sich von der Oberfläche der Probe in ihr Volumen ausbreitet. Diese Dehnung­swelle, so erklären sie, muss von einer Änderung des Dreh­impulses des Gitters herrühren, wobei nur der Einstein-de-Haas-Effekt als Ursache für das beo­bachtete Verhalten übrig bleibt. Ein Vergleich der experi­mentellen Daten mit den Vorher­sagen eines Modells legt nahe, dass achtzig Prozent des Drehimpulses, der während des Ent­magnetisierungs­prozesses verloren geht, von den Spins auf das Gitter übertragen wird. Durch dieses Resultat konnten die Physiker zeigen, dass die ultra­schnelle Entmagne­tisierung durch Spin-Flip-Prozesse passiert – zumindest in der nun unter­suchten Probe – und nicht etwa durch den Transport von Spins von einem Ort zu einem anderen.

Johnson und seine Kollegen erwarten jedoch, dass Ähnliches in anderen Materialien passiert, in denen die Magne­tisierung mit optischen Femto­sekundenpulsen manipuliert werden kann. Ein solches ultra­schnelles optisches Schalten ist im Hinblick auf praktische Anwen­dungen, beispiels­weise für neuartige Magnet­speicher, von erheblichem Interesse. Der nun entdeckte neue Dreh bezüglich des berühmten Einstein-de-Haas-Effekts, zusammen mit den neuen funda­mentalen Erkenntnissen, sollte wert­volle Leitlinien liefern für die Umsetzung dieses Versprechens in die Praxis.

ETHZ / JOL

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