Die überwiegende Mehrheit digitaler Daten wird magnetisch gespeichert, wobei ein binäres Bit üblicherweise durch einen Elektromagneten geschrieben oder gelöscht wird. Da dieses Verfahren in Bezug auf Geschwindigkeit und Energieeffizienz grundlegende Beschränkungen aufweist, wird die Entdeckung des rein optischen Schaltens (all optical switching, AOS), das es ermöglicht, ein magnetisches Bit nur mit Hilfe von Lichtpulsen zu schreiben oder zu löschen, als vielversprechender neuer Ansatz für die künftige Datenspeichertechnologie betrachtet. AOS wurde bereits in verschiedenen magnetischen Materialien bestehend aus einem Element der seltenen Erden und einem Übergangsmetall beispielsweise in ferrimagnetischen Gadolinium-Eisen-Legierungen beobachtet.
Dort führt die optische Anregung mit Femtosekunden-Laserpulsen zu einer sehr schnellen Erwärmung der Elektronen zu Werten deutlich oberhalb der Curie-Temperatur und somit zu einem entsprechenden Verlust der Magnetisierung in dem magnetischen Material. Der Austausch von Spindrehimpuls zwischen den beiden unterschiedlichen Elementen kann dann eine Umkehrung der Magnetisierung bewirken. Entscheidend ist, dass die Temperatur des Atomgitters nur mäßig erhöht wird, so dass AOS von Natur aus energieeffizient ist. Während dieser Prozess sowohl theoretisch als auch experimentell ausgiebig untersucht worden ist, ist nur wenig über die maximalen Frequenzen von Schreib-/Löschzyklen mit aufeinanderfolgenden Laserpulsen bekannt, obwohl dies entscheidend für den Erfolg von AOS in zukünftigen Datenspeichern ist.
Wissenschaftler des Max-Born-Instituts und der FU Berlin konnten jetzt zwei Strategien umsetzen, um den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Femtosekunden-Laserpulsen zu reduzieren, die die Magnetisierungsrichtung solcher magnetischen Legierungen immer noch erfolgreich hin- und herschalten können. Erstens konnte durch systematische Änderung der Wärmeübertragungsraten durch Verwendung von Substraten aus amorphem Glas, kristallinem Silizium oder polykristallinem Diamant gezeigt werden, dass effiziente Kühlraten des magnetischen Systems eine Voraussetzung für die Beschleunigung der Sequenz des Doppelpuls-Umschaltens sind.
Einen deutlich größeren Einfluss auf die Remagnetisierungsrate und damit auf die Frequenz der Schreib/Löschzyklen zeigte sich jedoch erst als das Übergangsmetall Eisen durch Kobalt ersetzt wurde. Beim Vergleich der ultraschnellen Magnetisierungsdynamik einer GdFe- und GdCo-Legierung nach Einzelpulsanregung zeigte sich, dass die anfängliche Entmagnetisierung sehr ähnlich ist, die Relaxationsrate zu einem umgekehrten magnetischen Zustand aber deutlich unterschiedlich. Während GdCo seine Magnetisierung innerhalb von fünf Pikosekunden auf sechzig Prozent umkehrt, wird der gleiche Wert in GdFe erst nach etwa zweihundert Pikosekunden erreicht. Die Forscher erklären diese Beobachtung mit der stärkeren Austauschwechselwirkung zwischen benachbarten Kobalt Atomen im Vergleich zu benachbarten Eisen Atomen, die zu einer schnelleren magnetischen Ordnung des Übergangsmetall-Untergitters führt.
MBI / RK
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- Originalveröffentlichung
F. Steinbach et al.: Accelerating double pulse all-optical write/erase cycles in metallic ferrimagnets, Appl. Phys. Lett. 120, 112406 (2022); DOI: 10.1063/5.0080351 - Transiente elektronische Struktur und Nanophysik, Max-Born-Institut für nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
