Barkhausen-Effekt - der Film

Ferromagnete ändern ihre Magnetisierung in kleinen Sprüngen. Dabei wurden sie jetzt „gefilmt“.

Hamburg - Ferromagnetische Materialien richten ihre Magnetisierung nur widerstrebend nach einem vorgegebenen Magnetfeld aus. Dies liegt an ihrem mikroskopischen Aufbau: Sie enthalten winzige Bereiche oder Domänen, in denen das Material jeweils in einer Richtung magnetisiert ist. Unterschiedliche Domänen haben im Allgemeinen unterschiedliche Magnetisierungsrichtungen. Nur wenn der Ferromagnet einem sehr starken Magnetfeld ausgesetzt wird, sind alle Domänen in Feldrichtung magnetisiert. Schaltet man das Feld ab, so behalten viele Domänen ihre Magnetisierungsrichtung bei. Nur ein sehr starkes, entgegengesetzt gerichtetes Feld kann die Magnetisierungsrichtung der eigensinnigen Domänen umkehren.

Magnetisches Labyrinth: Schaltet man das Magnetfeld ab, dann bilden die Domänen einer Magnetisierungsrichtung ein kompliziertes Muster. (Quelle: Schwarz/Uni Hamburg)

Bei dieser Umpolung durchläuft die Magnetisierung des Materials eine Hysteresekurve, die bei genauerer Betrachtung wie eine Treppe mit zahllosen winzigen Stufen aussieht. Dass die Magnetisierung kleine Sprünge macht, wenn man die Feldstärke stetig verändert, hatte Heinrich Georg Barkhausen 1919 entdeckt, nach dem dieser Effekt benannt ist. Was dabei mit den magnetischen Domänen geschieht, lässt sich am besten in dünnen ferromagnetischen Schichten untersuchen. Alexander Schwarz und seine Kollegen von der Universität Hamburg haben eine 80 nm dicke Schicht des Ferromagneten Lanthan-Strontium-Manganoxid auf eine Unterlage aufgedampft und bei einer Temperatur von 5 K in ein Magnetfeld gebracht, das senkrecht zur Schicht stand. Das Feld war so stark, dass alle Domänen in seine Richtung magnetisiert waren.

Mit der magnetischen Spitze eines Magnetkraftmikroskops haben die Forscher die Oberfläche der Schicht mit einer Genauigkeit von etwa 5 nm abgetastet. War die Spitze über einer Domäne positioniert, so verspürte sie eine abstoßende oder anziehende Kraft, je nach Magnetisierungsrichtung der Domäne. Auf diese Weise konnten die Forscher eine „Landkarte“ der Schicht erzeugen, auf der alle Domänen samt ihrer Magnetisierungsrichtung verzeichnet waren. Die Karte war so detailliert, dass man sogar die Größen der Domänen bestimmen konnte. Anschließend verringerten die Forscher die Stärke des Magnetfeldes ein wenig und nahmen erneut eine Karte auf. Diese Schritte wiederholten sie so lange bis das Magnetfeld in die entgegengesetzte Richtung zeigte und die Schicht ummagnetisiert war. Die Karten fügten sie zu einem kleinen Film zusammen, der eindrucksvoll zeigt, wie sich die Domänenstruktur der Schicht bei der Ummagnetisierung änderte.

Auf dem Film kann man erkennen, wie sich bei zunehmendem Magnetfeld die Domänen nach und nach magnetisch ausrichten. Dies geschieht entweder durch Keimbildung oder durch Verschiebung einer Domänenwand. Bei der Keimbildung kehrt eine Domäne, die von Domänen der gleichen Magnetisierungsrichtung umgeben ist, plötzlich ihre Magnetisierung um und richtet sich dadurch in Feldrichtung aus. Ist solch ein Keim erst einmal entstanden, so kann er die Nachbardomänen dazu anregen, sich ebenfalls umzumagnetisieren. Dabei wird eine Domänenwand, die entgegengesetzt magnetisierte Domänen voneinander trennt, kurzerhand verschoben. Bei beiden Vorgängen ändert sich die Magnetisierung der Schicht sprunghaft.

Die Keimbildung und die Verschiebung einer Domänenwand sind zwei sehr unterschiedliche Vorgänge. Deshalb tragen sie auch in unterschiedlicher Weise zur Ummagnetisierung der Schicht bei. Im Falle der Keimbildung sind die ummagnetisierten Domänen im Mittel ca. 150 nm groß und weisen eine Gaußsche Verteilung um diesen Mittelwert auf. Das liegt daran, dass die thermodynamischen Schwankungen in der Schicht, die letztlich zur Keimbildung führen, ebenfall einer Gaußschen Verteilung gehorchen. Bei der Domänenwandverschiebung hingegen folgt die Verteilung der Domänengröße einem Potenzgesetz, sodass keine Größenskala ausgezeichnet ist. Solche Verteilungen kennt man von Systemen mit selbstorganisierter Kritikalität wie z. B. Erdbeben oder Lawinen. Und auf den ersten Blick hat die Ummagnetisierung einer Schicht durch sich verschiebende Domänenwände eine gewisse Ähnlichkeit mit einer Kaskade von Lawinen: Zunächst werden die Domänenwände von Fehlern im Kristallgitter der Schicht festgehalten. Wenn sich aber einmal eine Domänenwand losgerissen und in Bewegung gesetzt hat, kann sie auch andere Domänenwände mitreißen.

Die Hamburger Forscher bezweifeln indes, dass der Barkhausen-Effekt tatsächlich etwas mit selbstorganisierter Kritikalität im strengen Sinne zu tun hat. Die entscheidenden dynamischen und strukturellen Parameter der ferromagnetischen Schicht sind nämlich fest vorgegeben, während sie sich im Falle der selbstorganisierten Kritikalität von selbst auf die Werte einstellen, die das System kritisch machen. Hier sind sicher noch weitere Untersuchungen nötig, bevor man ein abschließendes Urteil fällen kann. Die Erkenntnisse, die die Hamburger Wissenschaftler bei der Untersuchung dünner magnetischer Schichten gewonnen haben, werden vielleicht dazu beitragen, noch leistungsfähigere magnetische Datenspeicher zu entwickeln.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Alexander Schwarz et al., Visualization of the Barkhausen Effect by Magnetic Force Microscopy, Phys. Rev. Lett. 92, 077206 (2004).
  http://link.aps.org/abstract/PRL/v92/e077206
  http://netserver.aip.org/cgi-bin/epaps?ID=E-PRLTAO-92-082401 (Movie) 
• Kontakt:
  Alexander Schwarz, E-Mail: schwarz@physnet.uni-hamburg.de 
• Infos der Wiesendanger-Gruppe über Magnetkraftmikroskopie:
  http://www.nanoscience.de/group_r/mfm/ 
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Weitere Literatur:

• Olga Perkovic, Avalanches, Barkhausen Noise, and Plain Old Criticality, Phys. Rev. Lett. 75, 4528 (1995).
  http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/9506111 
• Amit P. Mehta et al., Universal Pulse Shape Scaling Function and Exponents: A Critical Test for Avalanche Models applied to Barkhausen Noise. 
• http://xxx.arxiv.org/abs/cond-mat/0112107