Magnetismus optisch vermessen

In magne­tischen Materialien kann eine Fülle von Informationen durch optische Spektro­skopie gewonnen werden, wobei die Energie der einzelnen Photonen die Elektronen der inneren Hülle zu höheren Energien befördert. Ein solcher Ansatz liefert die magne­tischen Eigen­schaften getrennt für die verschiedenen Arten von Atomen im magnetischen Material. Auf diese Weise können Wissen­schaftler die Rolle und das Zusammenspiel der verschiedenen Bestandteile des magnetischen Systems verstehen. Diese XMCD-Spektro­skopie – magnetischer Röntgen­dichroismus  – wurde in den späten 1980er Jahren entwickelt und erfordert typischer­weise die Nutzung einer Synchrotron­strahlungs­quelle oder einen Röntgenlaser.

Um zu untersuchen, wie die Magne­tisierung auf ultrakurze Laser­pulse reagiert, sind in den letzten Jahren kleinere Laborquellen verfügbar geworden, die ultrakurze Impulse im extrem ultra­violetten (XUV) Spektral­bereich liefern. Solche weniger energe­tischen XUV-Photonen regen schwächer gebundene Elektronen im Material an und stellen neue Heraus­forderungen an die Interpretation der resul­tierenden Spektren im Hinblick auf die zugrunde­liegende Magne­tisierung im Material. Ein Forscherteam des Max-Born-Instituts in Berlin sowie Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikro­struktur­physik in Halle und der Universität Uppsala in Schweden haben nun eine detail­lierte Analyse der magneto­optischen Antwort für XUV-Photonen vorgelegt.

Die Forscher kombi­nierten Experimente mit Ab-initio-Berech­nungen, die nur die Art der Atome und deren Anordnung im Material als Eingangs­information heranziehen. Für die prototypischen magnetischen Elemente Eisen, Kobalt und Nickel konnten sie die Reaktion dieser Materialien auf XUV-Strahlung im Detail messen. Sie stellten fest, dass die beobachteten Signale nicht proportional zum magne­tischen Moment des jeweiligen Element sind und dass diese Abweichung unter Berücksichtigung lokaler Feldeffekte theoretisch reproduziert wird. Sangeeta Sharma, die die theo­retische Beschreibung lieferte, erklärt: „Lokale Feldeffekte können als eine vorüber­gehende Umordnung der elektronischen Ladung im Material verstanden werden, die durch das elektrische Feld der verwendeten XUV-Strahlung verursacht wird. Die Reaktion des Systems auf diese Störung muss bei der Inter­pretation der Spektren berück­sichtigt werden.“

Diese neue Erkenntnis ermöglicht es nun, Signale von verschie­denen Elementen in einem Material zu trennen. „Da die meisten funk­tionellen magnetischen Materialien aus mehreren Elementen bestehen, ist dieses Verständnis entscheidend für die Untersuchung solcher Materialien, ins­besondere, wenn wir an der komplexeren dynamischen Reaktion bei der Mani­pulation mit Laserpulsen interes­siert sind“, betont Felix Willems. „Durch die Kombination von Experiment und Theorie sind wir nun in der Lage zu untersuchen, wie die dynamischen mikro­skopischen Prozesse genutzt werden können, um einen gewünschten Effekt zu erzielen, wie etwa das Umschalten der Magne­tisierung in einem sehr kurzen Zeitraum. Das ist sowohl von grundlegendem als auch von anwendungs­orientiertem Interesse.“

FZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Willems et al.: Magneto-Optical Functions at the 3p Resonances of Fe, Co, and Ni: Ab initio Description and Experiment, Phys. Rev. Lett. 122, 217202 (2019); DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.217202
• Transiente elektronische Struktur und Nanophysik (S. Eisebitt), Max Born Institut, Berlin