08.10.2020

Träge Magneten

Experimenteller Nachweis von Trägheitsbewegungen in magnetischen Materialien.

Ein internationales Team von Wissen­schaftlern aus Deutschland, Italien, Schweden und Frankreich gelang die experimentelle Beo­bachtung eines zwar zuvor bereits vorher­gesagten, bislang allerdings nur schwer nachweisbaren Trägheits­effekts von Elektronens­pins in magnetischen Materialien. Die Ergebnisse sind die Früchte eines der ersten Langzeit­projekte an der hochleistungsfähigen Terahertz-Licht­quelle Telbe des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf HZDR.

Abb.: Illustration von magne­tischen Materialien mit Schwingungs­bewegungen...
Abb.: Illustration von magne­tischen Materialien mit Schwingungs­bewegungen der Drehachse während der Präzession von Elektronen­spins. (Bild: D. Maccagni)

Im magnetischen Material übernehmen die Spins der Elektronen die eigentliche Speicherung der Daten. Bildlich vorstellen kann man sich den Elektronen­spin als Rotation der Elektronen um die eigene Achse. Diese Rotation kann entweder links oder rechts herum erfolgen – das entspricht den digitalen Nullen und Einsen. Dabei weist diese Rotation eine Besonderheit auf, wie Jan-Christoph Deinert vom HZDR-Institut für Strahlen­physik erläutert: „Das Elektron benimmt sich im Magnetfeld wie ein taumelnder Kreisel. Die Drehachse des Elektrons verändert ihre Richtung auf einer Kreisbahn. Ein Vorgang, den wir Präzession nennen. Bei äußerer Störung sollte die Drehachse außerdem kleine Schwingungs­bewegungen vollführen, die die Präzession überlagern. Diese Nutation ist, wie auch die Präzession, Merkmal vieler rotierender Objekte, etwa von Spielzeug­kreiseln bis hin zu Planeten wie der Erde. Nur ist die Nutation aufgrund ihrer deutlich geringeren Größenordnung ungleich schwerer zu beobachten.“

Dem Team ist es nun gelungen, die Nutation dieser Spins anzuregen und zu messen: Und zwar in dünnen magnetischen Schichten, wie sie auch in Festplatten verwendet werden. Die gemessene Nutations­periode bewegt sich dabei in der Größenordnung von einer Pikosekunde. Bei ihren Experimenten stellten die Physiker fest, dass die Nutation der magnetischen Spin-Achse eintausend Mal schneller ist als die vergleichs­weise langsame Richtungsänderung in Form der Präzessions­bewegung, ein bemerkenswert ähnliches Verhältnis wie bei der Erde. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Baustein für das bisher überraschend geringe Verständnis ultra­schneller magnetischer Prozesse und damit ein Schritt zu noch schnelleren, kompakteren und energetisch effi­zienteren Technologien zur Daten­verarbeitung.

Dafür müssen die Forscher jedoch zunächst die zugrunde­liegende Dynamik von Prozessen auf Zeitskalen von billionstel Sekunden einschließlich ihrer Trägheitsdynamik als Quelle der Nutations­bewegung verstehen. „Die etablierten mathematischen Modelle gingen bisher von einer Art eingebautem Tempolimit solcher Prozesse aus. Wir können aber zeigen, dass extrem schnelle Effekte wie die Nutation tatsächlich auftreten und damit eine wichtige Rolle für dynamische Prozesse beim Schreiben von Daten spielen können“, sagt Nilesh Awari, der die Arbeiten intensiv während seiner Promotion und als Post­doktorand begleitet hat. „Dies ist der erste direkte experimentelle Beweis für die Trägheits­bewegungen von Magnetspins“, sagt Stefano Bonetti, Professor an den Universitäten Venedig und Stockholm, der ein ERC-Projekt (European Research Council) zu ultra­schnellem Magnetismus koordiniert. „Auswirkungen unserer Arbeit erwarten wir unter anderem auf die Datenzentren, die fast die gesamte digitale Information der Menschheit speichern, da die Trägheits­dynamik besonders bei ultraschnellen Mani­pulationen der Spinaus­richtung eine große Rolle spielen kann. Die Kenntnis der Nutations­periode wird mit den zunehmenden Schreib­geschwindigkeiten, die mit schneller werdender Datenspeicherung einhergehen, immer wichtiger.“

Bei den Experimenten arbeiteten Wissenschaftler mehrerer europäischer Laboratorien zusammen, wobei die Schlüssel­messung dank des besonderen Experimentier­umfelds am HZDR durchgeführt wurde, wie Jan-Christoph Deinert beschreibt: „Telbe ist in der Lage, die für das Experiment notwendige intensive Terahertz-Strahlung im Frequenz­bereich zwischen Mikrowellen und Infrarot zu erzeugen. Die Terahertz-Strahlung wirkt als sehr intensiver magnetischer Puls auf der Pikosekunden-Zeitskala, was sich mit konven­tionellen Magneten nicht realisieren lässt.“ Die Gruppe um Stefano Bonetti war von Anfang an bei der Entwicklung und Nutzung der Terahertz-Quellen bei Telbe dabei. „Die ersten Experimente waren schwierig“, erinnert sich Bonetti. „Aber nach wenigen Jahren war die Maschine bereits sehr leistungsfähig. Die eigentlichen Messungen wurden dann über ein Jahr lang bei drei verschiedenen Mess­kampagnen im Nutzerbetrieb an Telbe durchgeführt, um die Reprodu­zierbarkeit dieses nie zuvor beobachteten Effekts zu überprüfen.“

HZDR / JOL

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