Ultraschnelle Entmagnetisierung: dünneres Eisen, stärkere Wirkung

Ob Fotos, Videos oder Dokumente: Überall werden riesige Datenmengen auf Festplatten gespeichert. Dafür nutzen sie winzige magnetische Bereiche, deren Ausrichtung die gespeicherten Informationen bestimmt. Doch wie ließen sich Daten künftig noch schneller speichern? Ein möglicher Ansatz sind ultrakurze Laserpulse, mit denen sich die magnetische Ordnung von Materialien in kürzester Zeit verändern lässt. Ein Team des Sonderforschungsbereichs 1242 der Universität Duisburg-Essen hat deshalb gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin untersucht, welchen Einfluss die Dicke einer Eisenschicht auf ihre ultraschnelle Entmagnetisierung hat, bei der das Material durch einen Laserpuls innerhalb kürzester Zeit einen Teil seiner magnetischen Ordnung verliert.

Das Ergebnis: Je dünner die Eisenschicht ist, desto stärker fällt dieser Effekt aus. Bei einer Schichtdicke von nur zwei Nanometern war die Entmagnetisierung rund 75 Prozent stärker als bei einer sechzehn Nanometer dicken Schicht. Und das, obwohl die Stärke der Laseranregung gleich blieb.

Doch warum reagieren dünnere Schichten stärker? Entscheidend sind die Elektronenspins, deren gemeinsame Ausrichtung für den Magnetismus des Eisens sorgt. „Bei besonders dünnen Eisenschichten befindet sich ein größerer Anteil dieser Spins an den Grenzflächen des Materials. Dort haben sie weniger Nachbarn, mit denen sie magnetisch wechselwirken können“, erklärt Andrea Eschenlohr. „Bildlich gesprochen können sich die Spins an weniger Nachbarn festhalten. Dadurch lässt sich ihre magnetische Ordnung leichter durch einen Laserpuls durcheinanderbringen.“

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Mechanismus ultraschneller Entmagnetisierung

Dass die Schichtdicke einen Einfluss auf die Entmagnetisierung haben könnte, war bereits vermutet worden. Überraschend war jedoch, wie stark dieser Effekt ausfällt und dass er auf die magnetischen Eigenschaften des Materials zurückzuführen ist – und nicht etwa auf Unterschiede bei der Lichtabsorption oder auf Schwingungen des Atomgitters.

Die Ergebnisse könnten langfristig dazu beitragen, magnetische Speichermedien zu entwickeln, bei denen Informationen mithilfe ultrakurzer Laserpulse geschrieben werden. Bis zu einer praktischen Anwendung sind allerdings noch einige Herausforderungen zu bewältigen. So müssten geeignete Laserquellen in elektronische Bauteile integriert und sehr kleine Bereiche gezielt angesteuert werden können, um eine hohe Speicherdichte zu ermöglichen.

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forschenden die spezialisierte FemtoSpeX-Röntgenquelle am Elektronenspeicherring BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin. Dort lassen sich mithilfe ultrakurzer Röntgenpulse extrem schnelle magnetische Veränderungen beobachten. Die Idee zur Studie, die Herstellung der Proben, die Datenanalyse und die theoretischen Untersuchungen zur magnetischen Ordnung an den Grenzflächen stammen von der UDE, zusammen mit Kollaborationspartner:innen vom Fritz Haber Institut Berlin, der Uni Konstanz, der TH Wildau und dem SLAC National Accelerator Laboratory. [UDE / dre]