Mit Laserpulsen Bits blitzschnell schalten

Bislang ging man davon aus, dass der Schaltprozess überall dort homogen abläuft, wo der Laserpuls eine ausreichende Energiemenge an das magnetische Material abgibt. Wie Forschende des Max-Born-Instituts gemeinsam mit ihren Kolleg:innen vom Berliner Leibniz-Institut für Kristallzüchtung und der Université de Lorraine in Nancy jedoch zeigen konnten, ist dies in der Regel nicht der Fall. Stattdessen kommt es zu einer ultraschnellen, inhomogenen Ausbreitung eines zunächst kleinen umgeschalteten Bereichs entlang der Tiefe des Materials.

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Heterostrukturen für die Spintronik

Durch die Kombination von ultra­kurzen Anregungs­pulsen im Infrarot­bereich (IR) mit Femto­sekunden-Weich­röntgen­spektro­skopie unter­suchten die Forschenden eine nur 9,4 nm dünne Schicht aus einer Gadolinium-Kobalt-Legierung (GdCo), die in eine typische Hetero­struktur mit umgebenden Platin-, Kupfer- und Tantal­schichten einge­bettet war. Unter Verwendung breit­bandiger Röntgen­pulse, die auf eine atomare Resonanz des Seltenerd­elements Gadoli­nium einge­stellt waren, wandten sie eine kürz­lich am MBI entwickelte Technik an, mit der sich Änderungen der Magneti­sierung entlang der Tiefe der Probe zeit­lich verfolgen lassen. Das Ergebnis ist ein Film der Magneti­sierung, wie sie sich nach Anregung inner­halb der GdCo-Schicht verhält, mit einer zeit­lichen Auflö­sung von nur wenigen Femto­sekunden.

Anhand dieses Films konnten die Forscher aufdecken, was zuvor verborgen war: Unmit­telbar nach Auf­tref­fen des 27 fs kurzen Infrarot­pulses erwärmt sich zunächst die gesamte GdCo-Schicht, was den bishe­rigen Erwar­tungen entspre­chend zu einer nahezu homo­genen Ent­magneti­sierung führt. Nach zwei Piko­sekunden bilden sich jedoch zwei Domänen mit entgegen­gesetzter Magneti­sierung: Der obere Bereich, der einen zusätzlichen Impuls von der stärker erhitzten Platin­schicht oberhalb des GdCo erhält, schaltet zuerst um, während die Magnetisie­rungs­richtung im unteren Bereich unverändert bleibt. Zwischen diesen beiden Bereichen bildet sich eine Domänen­wand, die sich anschließend mit einer Geschwin­dig­keit von etwa 2.000 m/s nach unten ausbreitet und inner­halb von etwa 4,5 ps die gesamte GdCo-Schicht durchläuft. Insbe­sondere wird zunächst nur der oberflächen­nahe Teil der GdCo-Schicht stark genug angeregt, um die Energie­schwelle für AOS zu überwinden; dennoch kommt es zu einer vollstän­digen Umschal­tung, da der Rest der Schicht im Zuge der sich ausbrei­tenden Domänen­wand folgt.

Diese Entdeckung zwingt zu einem Umdenken in Bezug auf AOS als Kombination lokaler und nicht-lokaler Prozesse, und stellt das der­zeitige Verständ­nis des Phänomens im Rahmen etablier­ter theoreti­scher Modelle infrage. Die sich bewegende Domänen­wand, die womöglich durch eine Kombina­tion aus Dreh­impuls­über­tragung zwischen den geschal­teten und ungeschal­teten Bereichen, sowie den entlang der Hetero­struktur auf ultra­kurzen Zeit­skalen entstehenden thermischen Gradienten ange­trieben wird, bestimmt letztlich sowohl die Schalt­­geschwindigkeit als auch den endgültigen magne­tischen Zustand.

Mit Blick auf die Zukunft eröffnen diese Erkennt­nisse neue Wege für die Entwick­lung optisch gesteu­erter magne­tischer Kompo­nenten. Durch die Auswahl unter­schied­licher benach­barter Schichten sowie die Verän­derung der Schicht­dicken und -zusammen­setzung lässt sich gezielt beein­flussen, auf welcher Seite die Domänen­wand entsteht und wie schnell sie sich bewegt. Diese Gestaltungs­freiheit könnte schnel­lere und energie­effizien­tere Speicher- und Logik­elemente auf Basis optisch ange­regter Magneti­sierungs­umschaltung ermög­lichen. [MBI / dre]