Antiferromagneten auf der Spur

Antiferromagneten besitzen zwar eine magnetische Ordnung, doch löscht sich ihre Magneti­sierung nach außen genau aus. Sie sind heiße Kandidaten für die schnellere und energie­effi­zientere Verarbeitung und Speicherung von Daten. Auf dem Weg dorthin hat unter anderem die magnetische Streuung im weichen Röntgen­bereich - eine Kombination aus Spektro­skopie und Streu­experiment - direkte Einblicke in die magnetische Ordnung von Anti­ferro­magneten erlaubt und so einen wichtigen Wissens­beitrag geleistet. Entsprechende Experimente konnten bisher jedoch nur an wissen­schaft­lichen Großgeräten, wie Synchrotrons und Freien-Elektronen-Lasern, durchgeführt werden. Forschern m Max-Born-Institut, dem Forschungs­zentrum Jülich und dem Helmholtz-Zentrum Berlin ist es jetzt erstmals gelungen, eine anti­ferro­magnetische Probe mittels magnetischer Streuung an einer laser­getriebenen Laborquelle zu unter­suchen.

Dazu nutzten und optimierten sie eine etablierte Technik zur Erzeugung von weicher Röntgen­strahlung – eine laser­getriebene Plasma­quelle. Der verwendete Scheiben-Laser wurde eigens für diese und ähnliche Anwendungen am Max-Born-Institut entwickelt. Dabei werden extrem energie­reiche und sehr kurze Lichtblitze aus dem Laser auf einen Metall­zylinder aus Wolfram fokussiert. Im Lichtfokus herrschen dabei für die kurze Dauer der Laserpulse Bedingungen wie auf der Sonnen­ober­fläche und führen zur Erzeugung eines Plasmas. Dieses gibt Licht über einen sehr breiten spektralen Bereich ab. Da das Plasma durch sehr kurze Laserpulse getrieben wird, sind auch die erzeugten Lichtblitze nur unwesentlich länger. Mithilfe einer speziellen Optik, einer Reflexions-Zonen­platte, ist es möglich, ausreichend weiche Röntgen­strahlung dieser Plasma­emission einzu­sammeln und für magnetische Streu­experi­mente nutzbar zu machen.

Zur Demonstration des neuen Konzepts hat das Team einen künstlichen Anti­ferro­magneten unter­sucht. Dieser wurde durch abwechselndes Aufwachsen von mehreren jeweils nur etwa einen Nanometer dicken Schichten aus reinem Eisen und Chrom hergestellt. Dabei sind die Eisenlagen für sich reine Ferro­magneten, die sich aber durch eine Kopplung über die Chromlagen hinweg zueinander exakt anti­parallel ausrichten. Neben einer strukturellen Periodizität durch die alter­nierenden Lagen kommt es so auch zu einer anti­ferro­magnetischen Überstruktur, die immer genau zwei Eisenlagen beinhaltet. Beide Perio­di­zitäten können mittels der resonanten Streuung aufgelöst werden und erlauben so einen direkten Einblick in die struktu­relle und anti­ferro­magnetische Ordnung im Proben­system.

Die lasergetriebene Plasmaquelle bietet nicht nur ausreichend weiche Röntgen­strahlung für magnetische Streu­experimente im Labor, gleich­zeitig sind ihre Licht­blitze auch besonders kurz – nämlich nur wenige Piko­sekunden. Dadurch können die oben beschriebenen Messungen auch in einem strobo­skopischen Modus durch­ge­führt werden, um so licht­indu­zierte Dynamiken auf Zeit­skalen der Pulsdauer unter­suchen zu können. Die entsprechenden zeit­aufge­lösten Messungen an dem künstlichen Anti­ferro­magneten zeigen dabei eindrucks­voll die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber aktuellen und zukünftigen Synchrotron-Quellen auf, welche eine zehn Mal schlechtere Zeit­auf­lösung bieten.

MBI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Schick et al.: Laser-driven resonant magnetic soft-x-ray scattering for probing ultrafast antiferromagnetic and structural dynamics, Optica 8, 1237 (2021); DOI: 10.1364/OPTICA.435522
• Transient Electronic Structure and Nanophysics, Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.