Optische Kontrolle von Permalloy
Internationales Forscherteam misst magnetische Schaltvorgänge im Femtosekundenbereich.
Magnetische Schaltvorgänge bilden die Grundlage der Informationsverarbeitung und -speicherung. Magnetische Medien speichern Daten in winzigen magnetischen Bereichen, die bisher meist durch Magnetpulse eingeschrieben werden. Lichtpulse könnten diese Aufgabe aber wesentlich schneller erledigen. Solche Pulse lassen sich mit einer Dauer von weniger als einer Femtosekunde herstellen. Einen entscheidenden Beitrag zum besseren Verständnis, wie sich magneto-optisches Schalten kontrollieren lässt, liefert nun ein internationales Forscherteam mit deutscher Beteiligung.
Abb.: Schema des Versuchs und der Physik dahinter: Ultraschnelle XUV-Pulse werden an der Probe, einem Permalloy-Gitter reflektiert. Das entstandene Spektrum von Höheren Harmonischen misst eine CCD-Kamera. (Bild: S. Mathias, PNAS)
Normalerweise reagieren die Elementarmagnete eines magnetischen Metalls oder einer Legierung nicht unabhängig voneinander; Grund ist die Austauschkopplung. Sie äußert sich zum Beispiel darin, dass Eisen (Fe) seine magnetischen Eigenschaften bei 768 Grad Celsius verliert, Nickel (Ni) schon bei 360 Grad, eine Legierung beider Komponenten, genannt Permalloy, dagegen bei 580 Grad. Ungeklärt war bisher die Frage, ob in einer Legierung zweier magnetischer Metalle die beteiligten magnetischen Elemente auf sehr kurzen Zeitskalen unterschiedliche magnetische Eigenschaften zeigen oder ob sie sich stets synchron verhalten. Das ist nicht nur wissenschaftlich von Interesse, sondern auch für Anwendungen, denn entkoppelte Systeme reagieren schneller als gekoppelte.
Forschern des Forschungszentrums Jülich, des Forschungszentrums Optimas in Kaiserslautern sowie der Universität von Colorado und des National Institut of Standards and Technology im US-amerikanischen Boulder ist es nun gelungen, ein kurzzeitig asynchrones Verhalten der beiden magnetischen Elemente Fe und Ni in Permalloy festzustellen. Sie sind überzeugt, dass diese Entdeckung wegweisend ist für zukünftige Untersuchungen der Spindynamik in komplexen magnetischen Materialien und dass es dadurch gelingen kann, magnetische Schaltvorgänge zukünftig zu beschleunigen. Möglich wurde der Nachweis durch eine selbstentwickelte Methode, mit der die Wissenschaftler magnetische Schaltprozesse erstmals mit einer Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden beobachten konnten.
Abb.: Nach einer ultraschnelle Anregung des Elektronensystems durch Femtosekundenpulse, bestimmen verschiedene Streuprozesse zwischen Elektronen und Phononen die dynamische Antwort des Systems. (Bild: S. Mathias, PNAS)
Sie erhitzten Permalloy mit ultrakurzen Laserpulsen und zeigten, dass seine beiden Bestandteile darauf zeitlich versetzt reagieren: Das Nickel verlor erst 18 Femtosekunden nach dem Eisen seine magnetischen Eigenschaften. Der Zeitversatz entspricht dabei in etwa der Energie der oben erwähnten Austauschwechselwirkung (Energie-Zeit-Äquivalent), der wesentlichen physikalischen Ursache für den Magnetismus.
Der Versuchsaufbau ist ein „Pump-Probe-Experiment“. Dabei lösten die Forscher die Entmagnetisierung der Probe durch einen Puls aus infrarotem Laserlicht von 25 Femtosekunden Dauer aus. Mit weiteren Pulsen aus weichem Röntgen-Licht von weniger als zehn Femtosekunden Dauer, erzeugt mit einer Hohe-Harmonischen Lichtquelle, maßen sie die magnetische Reaktion, die als Spektrum mit einer CCD-Kamera ausgelesen wurde. Unter Experten war zunächst strittig, ob bei einem solchen Messaufbau nicht optische Effekte die Ergebnisse verfälschen könnten. Dies konnten die Forscher aber ausschließen.
FZ Jülich / PH
