Magnetischer Phasenwechsel beobachtet
Wie Kobalt vom ferromagnetischen in den paramagnetischen Zustand wechselt.
Schaut man sich die Elektronen im Metall Kobalt an, stellt man fest, dass diese nach einem bestimmten Schema angeordnet sind. In dem ferromagnetischen Material hat der Großteil der darin enthaltenen Elektronen einen Spin, der nach unten weist. Die restlichen Minoritätselektronen zeigen eine Spinausrichtung nach oben. Dieses Ungleichgewicht in der Anzahl der Majoritäts- und Minoritätselektronen führt zu einer spontanen Magnetisierung des Materials. Führt man diesem System nun Energie etwa durch Erwärmen zu, brechen einige Majoritätselektronen aus dieser Ordnung aus, die Richtung ihres Eigendrehimpulses ändert sich.
Abb.: Skizze des Experiments, mit dem sich ein magnetischer Phasenwechsel in Kobalt messen lässt. (Bild: S. Eich / TU Kaiserslautern)
Diese Änderung der Spinausrichtung führt nun dazu, dass sich das Ungleichgewicht zwischen den Elektronen mit jeweils unterschiedlich ausgerichtetem Spin verringert. Dies hat wiederum zur Folge, dass die Magnetisierung des Materials abnimmt. Es kommt zu einem Phasenübergang vom geordneten ferromagnetischen in den ungeordneten paramagnetischen Zustand. Genau diese Änderung steht im Fokus der Forschung des internationalen Teams um Physikern von der TU Dortmund.
Bisher gab es zwei verschiedene Theorien zu den Gründen für den Übergang von einem ferromagnetischen in einen paramagnetischen Zustand. Eine Theorie geht davon aus, dass die Wechselwirkung zwischen den Elektronen, die dafür sorgt, dass ihre Spins in dieselbe Richtung weisen, spontan verschwindet und deshalb auch ihre Spins nicht mehr gleich ausgerichtet sind. Die andere Theorie besagt, dass die Elektronen auf einmal so stark in Bewegung geraten, dass ihre Eigendrehimpulse plötzlich in unterschiedliche Richtungen gehen. Die Forscher konnten erstmals nachweisen, dass die zweite Theorie, das Heisenberg-Bild, die Erklärung für den Phasenübergang liefert. Mit einem Laser regten sie die Elektronen in einer dünnen Schicht Kobalt zu einem Phasenübergang an, der innerhalb weniger Femtosekunden geschieht.
Dank ihrer ausgeklügelten Messtechnik konnte das Forscherteam genau nachvollziehen, was in dieser äußerst kurzen Zeitspanne passiert. „Unsere Forschung hat dank einer neuen Messtechnik zahlreiche neue Rückschlüsse auf ultraschnelle magnetische Prozesse geliefert. Die Ergebnisse erweitern unser Verständnis über die mikroskopischen Prozesse, die während dieser Phasenübergänge stattfinden“, sagt Mirko Cinchetti von der TU Dortmund.
TU Dortmund / JOL
