24.04.2018

Laserschalter für Magnetisierung

Laser kann Material magnetisieren und wieder entmagnetisieren – je nach den Pulseigenschaften.

Mit einem Laserstrahl in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen – das gelang Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität von Virginia in Charlottes­ville, USA. Der überraschende Effekt ist zudem reversibel. Damit könnten sich für die Material­bearbeitung, für optische Technologien oder die Daten­speicherung ganz neue Perspektiven eröffnen.

Abb.: Ein starker Laserpuls erzeugt in einer Legierung magnetische Strukturen (links). Ein zweiter, schwächerer Laserpuls (rechts) ermöglicht den Atomen, auf ihre angestammten Gitterplätze zurückzukehren. (Bild: S. Münster / HZDR)

„Die Experimente haben wir mit einer Legierung aus Eisen und Aluminium durch­geführt. Sie wird gerne als Proto­typ für das Studium von Magnetisierungs­mechanismen gewählt, weil kleinste Änderungen in der Anordnung der Atome das magnetische Verhalten komplett verändern können“, erklärt der Physiker Rantej Bali vom HZDR. Das Material hat eine hoch­geordnete Struktur: Die beiden Atom-Sorten sind lagen­weise über­einander geschichtet. „Die Aluminium-Atome trennen die Eisen­schichten voneinander. Wenn ein Laser­strahl diese Ordnung zerstört, rücken die Eisen-Atome näher zusammen und das Material verhält sich plötzlich wie ein Magnet.“

Um die Wechselwirkung zwischen Laser und Legierung genauer untersuchen zu können, setzten Bali und sein Team eine dünne Schicht aus der Eisen- und Aluminium-Legierung auf einen transparenten Magnesium-Kristall. Am BESSY-II-Synchrotron des HZB lässt sich mit einem speziellen Mikro­skop und polarisierter Röntgen­strahlung der Effekt eines Laserstrahls auf die magnetische Ordnung der Probe hoch­genau vermessen (X-Ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD). Sobald die Forscher einen fokussierten Laser­strahl mit einer Puls­dauer von 100 Femto­sekunden auf die Legierung richteten, bildete sich dort ein ferro­magnetischer Bereich.

Später bestrahlten die Wissenschaftler den Bereich erneut, reduzierten allerdings die Energie des Lasers. Es zeigte sich, dass die Magnetisierung durch diese Behandlung wieder verschwand: Nach einem ersten Laser­puls war nur noch die Hälfte der Magnetisierung vorhanden. Mit einer Serie von Laser­pulsen ließ sich die Magnetisierung sogar voll­ständig löschen. „Wir sind hier auf ein völlig neues Phänomen gestoßen“, unterstreicht Bali. „Mit einem Laser können wir ferro­magnetische Strukturen erzeugen und dies auch wieder rück­gängig machen.“

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of Virginia konnten die Forscher klären, was in der Legierung passiert. Die Simulationen der amerikanischen Kollegen zeigen, dass der kurze Laser­puls das ultra­dünne Material so stark aufheizt, dass es von der Ober­fläche bis zur Magnesium-Schicht schmilzt. Es bildet sich ein flüssiger Bereich in der Legierung, in dem die Atome ihre angestammten Plätze verlassen können.

Wenn die Legierung wieder abkühlt, gerät sie in den Zustand einer „unter­kühlten Flüssigkeit“, das heißt sie bleibt geschmolzen, obwohl die Temperatur bereits unter dem Schmelz­punkt liegt. Das liegt daran, dass nicht genügend Kristallisations­keime vorhanden sind. Während die Atome in diesem unter­kühlten Zustand auf der Suche nach Kristallisations­keimen sind, fällt die Temperatur weiter. Die Atome müssen sich in dem Prozess, der nur wenige Nano­sekunden Sekunde dauert, schließlich zu einem festen Kristall­gitter zusammen­fügen – und nehmen dabei zufällige Plätze ein. So entsteht der Magnet.

Mit demselben Laser kann man die Magnetisierung jedoch wieder rück­gängig machen. Dazu muss die Energie des Laserpulses sinken. Die Legierung schmilzt dann erneut, allerdings nur in einem kleinen Bereich an der Grenzfläche. Beim Abkühlen bilden sich ausreichend Kristallisations­keime. Der unter­kühlte Zustand tritt in diesem nur eine Nano­sekunde dauernden Prozess nicht auf und die Atome können deshalb wieder auf ihre Gitterplätze zurück­wandern und sich in Schichten arrangieren. Jonathan Ehrler, der als Doktorand an den Arbeiten beteiligt war, fasst zusammen: „Zum Schreiben von magnetischen Bereichen müssen wir das Material von der Ober­fläche bis zur Basis schmelzen, zum Löschen darf man aber nur einen Teil schmelzen.”

In weiteren Versuchen wollen die Forscher nun untersuchen, ob und wie stark der Effekt bei anderen Legierungen auftritt. Außerdem möchten sie erkunden, wie sich die Kombination mehrerer Laser­strahlen auswirkt. Durch Interferenz­effekte könnten so magnetische Muster auch in großflächigen Material­schichten möglich sein. „Das Phänomen an sich ist sehr bemerkenswert und vielleicht ergeben sich interessante Anwendungen dafür“, so Bali. Nicht zuletzt die optischen Technologien und die Daten­speicherung könnten von der Entdeckung profitieren, schätzt der Wissenschaftler vom HZDR ein.

HZDR / DE

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