Mit dem Laser an der Uhr gedreht

In vielen Materialien entstehen makroskopische magnetische Eigenschaften, wenn sich mikroskopisch kleine Magnete im gesamten Festkörper in einem festgelegten Muster ausrichten. Johan Mentink, Karsten Balzer und Martin Eckstein von der Universität Hamburg am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) und dem Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) haben vorhergesagt, dass die Wechsel­wirkungen, die diese Ausrichtung verursachen, fast augenblicklich und reversibel unter Einfluss eines Laserimpulses verändert werden können. In Zukunft könnte man diesen Effekt potenziell für die Entwicklung schnellerer Magnetspeicher verwenden. Zudem implizieren die Ergebnisse der Studie die überraschende Folgerung, dass die magnetische Dynamik unter dem Einfluss eines ausreichend starken Laserfeldes effektiv zeitlich rückwärts ablaufen kann.

Die stärksten Wechsel­wirkungen in magnetischen Materialien werden als Austausch­wechsel­wirkungen bezeichnet, da sie durch den Austausch von Elektronen zwischen den einzelnen mikroskopischen Magneten, den Spins, verursacht werden. Ein Spin kann von seinem Nachbarn eine Kraftwirkung spüren, die bis zu hundert Mal größer ist als Magnetfelder, die im Labor erzeugt werden können. Johan Mentink und seine Kollegen haben gezeigt, dass das elektrische Feld des Lasers die Elektronen während dieses Austauschprozesses beeinflussen und somit die Wechselwirkung verändern kann. Aufgrund der Stärke der Austausch­wechsel­wirkungen lässt sich mittels dieses Ansatzes der Magnetismus auf den schnellstmöglichen Zeitskalen steuern, mit hoher Relevanz für technologische Anwendungen wie Magnetspeicher.

Obwohl bereits bekannt ist, dass die Austausch­wechsel­wirkungen sehr schnell verändert werden können, wäre die ultimative Kontrolle erst erreicht, wenn man die Wechselwirkungen reversibel stärken oder schwächen könnte, d.h., wenn das System nach dem Prozess wieder in seinen Ausgangs­zustand zurückkehrt. Diese Möglichkeit die Forscher nun verwirklichen, indem sie das magnetische Material einem zeitlich periodischen elektrischen Feld aussetzten, das ganz bewusst so abgestimmt wurde, um eine direkte Anregung der Elektronen zu vermeiden. Bereits für das betrachtete Modellsystem zeigt diese Vorgehensweise eine reichhaltige Steuerungsmöglichkeit: Die Austausch­wechsel­wirkung kann verstärkt und geschwächt werden und sogar ihr Vorzeichen umkehren, also eine parallele Ausrichtung benachbarter Spins gegenüber einer anti­parallelen Ausrichtung begünstigen.

Eine ziemlich überraschende Beobachtung der Studie ist, dass sich bei einer Änderung des Vorzeichens der Austauschwechselwirkung durch das periodische elektrische Laserfeld die zeitliche Entwicklung für die Spin-Dynamik umkehrt. Mentink: „Intuitiv erwartet man, dass ein Vorzeichen­wechsel der Wechsel­wirkung eine schnelle Änderung des magnetischen Zustands bewirkt. Aber wir beobachten stattdessen, dass sich die Spins zurück zu ihrer ursprünglichen Ausrichtung entwickeln, ohne jegliches Anzeichen für einen veränderten magnetischen Zustand aufzuweisen.“ Daher haben solche Studien nicht nur Relevanz für technologische Anwendungen, sondern auch für grundlegende Unter­suchungen der Zeit-Umkehr­barkeit von Quantensystemen.

MPSD / DE