Im Pikosekundentakt magnetisieren
Ein Terahertzlaser ermöglicht, die Magnetisierung eines Materials in extrem kurzen Zeiträumen gezielt zu steuern.
Da Daten heutzutage zu einem großen Teil magnetisch gespeichert werden, ist die Möglichkeit die Magnetisierung eines Materials schnell zu verändern für neue schnelle Speichersysteme wesentlich. Will man die Information ändern, muss man die Richtung der magnetischen Momente umkehren. Um schnell große Datenmengen speichern zu können, benötigt man Verfahren, mit denen sich die Magnetisierungsrichtungen in einem Material rasch verändern lassen.
Abb.: Der Aufbau des Experiments, in dem mit dem zeitaufgelösten magneto-optischen Kerr-Effekt ultraschnelle Dynamiken der magnetisierten Probe messbar sind. (Bild: C. Vicario, NPG)
Forscher des Paul Scherrer Instituts und der ETH Lausanne (EPFL) haben nun in Zusammenarbeit mit Kollegen der Université Pierre et Marie Curie in Paris einen neuen Ansatz studiert, mit dem sich die Magnetisierung eines Materials im Zeitbereich von Pikosekunden gezielt steuern lässt. Dafür verwendeten sie einen neu entwickelten Laser, der sehr kurze Pulse im Terahertz-Bereich erzeugte. Bestrahlt man mit diesen ein magnetisiertes Material, dann kann das veränderliche Magnetfeld im Laserlicht die Richtung der Magnetisierung in dem Material verändern. Diese Neuausrichtung geschieht innerhalb kürzester Zeit – in weniger als einer Picosekunde.
In ihrem Experiment nutzten die Forscher extrem kurze „Blitze“ aus Terahertz-Strahlung. Anders als das Licht herkömmlicher Laser heizt Terahertz-Strahlung die magnetische Probe nicht auf, was eine exakte Manipulation der Magnetisierung erst ermöglicht. Die verwendeten Terahertz-Blitze waren so kurz, dass das magnetische Feld gerade eine Schwinungsperiode durchlief. In dem belichteten Material wurden die magnetischen Momente erst in die eine und dann in die andere Richtung ausgelenkt. Sie folgten dabei mit einer winzigen Verzögerung exakt dem Verlauf des Magnetfeldes in dem Puls.
Der Terahertz-Laser ist in der Lasergruppe des SwissFEL-Projekts am Paul Scherrer Institut entwickelt worden. Bis vor wenigen Jahren gab es kaum starke Terahertz-Laser – man sprach gar von der Terahertz-Lücke. „Wir nutzen für unseren Laser spezielle organische Kristalle, die die Frequenz von Laserlicht reduzieren“, erklärt Christoph Hauri, Leiter der Lasergruppe und Professor an der EPFL, die Idee hinter der Anlage. „Wenn wir mit einem starken Laser mit hoher Frequenz auf den Kristall einstrahlen, sendet er Strahlung im Terahertz-Bereich aus.“
Der Laser gehört zu den stärksten weltweit. Für die Experimente war noch eine Eigenschaft des Lasers wichtig: seine Phasenstabilität. Die Forscher konnten genau festlegen kann, wie die Veränderung der magnetischen Felder innerhalb des einzelnen Pulses verlie und diese Pulsform zuverlässig immer wieder reproduzieren. Die Entwicklung wurde dank einer erfolgreichen Zusammenarbeit mit dem Schweizer Industriepartner Rainbow Photonics AG möglich.
Abb. Ein Puls aus einem Terahertzlaser in blau steuert die Magnetisierung eines Materials; die Magnetisierung in rot – über den magnetooptischen Kerr-Effekt gemessen – folgt mit geringer Verzögerung dem Magnetfeld des Laserpulses, in schwarz eine Computersimulation. (Bild: PSI / NPG)
Der Laserblitz in dem präsentierten Experiment ist noch nicht intensiv genug, um die Magnetisierung vollständig umklappen zu können; man konnte nur die Dynamik, also die Bewegung der Magnetisierung beobachten. Das Experiment ist jedoch ein Teilziel, um das Konzept der ultraschnellen und exakten Manipulation von Magnetismus mit einem Laser zu demonstrieren. Hauri ist zuversichtlich, dass sich ein vollständiges Umklappen der Magnetisierung in naher Zukunft realisieren lässt. „Es gibt Tricks, mit denen man die Felder eines schwachen Lasers so weit verstärken kann, dass sie die Magnetisierung umschalten könnten.“
Zusätzlich müsste man dann auch eine besondere Pulsform wählen und einen Puls erzeugen, bei dem das magnetische Feld zuerst schwach in die eine Richtung zeigt, dann stark in die andere, und am Ende wieder schwach in die erste. Wenn nur der mittlere starke Teil des Pulses stark genug ist, um die Magnetisierung umzukehren, könnte man solche Pulse nutzen, um Materialien umzumagnetisieren. Solche exakt definierten Pulse sind nun am PSI verfügbar.
Am Paul Scherrer Institut ist die Entwicklung der Terahertz-Laser Teil des SwissFEL-Projekts, bei dem als neue Großanlage des PSI der Röntgenlaser SwissFEL gebaut wird. Er wird Laserlicht im Röntgenbereich erzeugen und so viele Vorgänge in der Materie sichtbar machen, die heutigen Untersuchungsmethoden nicht zugänglich sind.
Terahertz-Laser sollen dabei an zwei Stellen eingesetzt werden. Zum einen werden sie helfen, die Eigenschaften des Röntgenstrahls im laufenden Betrieb zu vermessen. Zum Anderen werden sie in Experimenten, in denen beispielsweise der Ablauf chemischer Reaktionen im Fokus steht, den Startschuss für die Reaktion geben, deren Zwischenzustand später der Röntgenlaser bestimmt.
PSI / PH
