Magnetwellen durch lichtinduzierte Rotation von Atomen
Terahertz-Anregung von Kristallschwingungen treibt Spindynamik an.
Die Kontrolle funktionaler Eigenschaften durch Licht ist eines der großen Ziele moderner Festkörperphysik und der Materialwissenschaften. Eine neue Studie zeigt, wie die ultraschnelle, lichtinduzierte Modulation atomarer Positionen in einem Material zur Kontrolle seiner Magnetisierung verwendet werden kann. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Andrea Cavalleri vom MPI für Struktur und Dynamik der Materie verwendete Terahertz-
Abb.: Lichtinduzierte Rotationen der Atome (Spiralen) erzeugen kohärente Bewegungen der Elektronenspins (blaue Pfeile; Bild: MPSD).
Mikroskopische Wechselwirkungen zu verstehen und kollektive Anregungen zu steuern, um Materialfunktionen maßzuschneidern, ist eine treibende Kraft in der Physik der kondensierten Materie und den Materialwissenschaften. Chemische Substitution oder die Anwendung äußerer Störfaktoren gehören zu den konventionellen, statischen Ansätzen zur Veränderung und Beeinflussung von Materialeigenschaften. Ein konzeptionell anderer Ansatz besteht in der ultraschnellen, dynamischen Modulation von Materialparametern. In diesem Fall hat sich die direkte Anregung von Schwingungen des Kristallgitters in Festkörpersystemen durch ultrakurze und ultraintensive Terahertz-
Im Bestreben diese Prinzipien zu verallgemeinern und zu zeigen, dass die kohärente Anregung von Phononen nicht nur die Kristallstruktur beeinflussen, sondern auch andere Eigenschaften wie die Magnetisierung direkt kontrollieren kann, hat das Team die Stimulation des magnetischen Materials Erbium-
„Das ist das erste Mal, dass eine direkte und kohärente Kontrolle von Spins durch Gitterschwingungen beobachtet wurde“, sagt Tobia Nova, Doktorand am MPSD. Das Experiment demonstriert erfolgreich, dass ein Energieaustausch zwischen stimulierten Phononen und magnetischen Anregungen bei gleichzeitiger Verformung der Spinanordnung eines Materials möglich ist und somit zu einer ultraschnellen Kontrolle seiner Magnetisierung führt. Die Auslenkung der Magnetwelle skaliert quadratisch mit der elektrischen Feldstärke der Terahertz-
Mögliche Anwendungen zirkular polarisierter Phononen könnten sich auch weit über die Kontrolle der Magnetisierung hinaus ergeben. Es konnte bereits gezeigt werden, dass eine zeitabhängige Störung in der Form zirkular polarisierten Lichts Oberflächeneigenschaften in der neuartigen Materialklasse der topologischen Isolatoren beeinflusst. Zudem wurde vorhergesagt, dass eine solche Störung entsprechende topologische Zustände in Graphen erzeugen könnte. Auf ähnliche Weise könnte auch Phononen-
MPDS / RK