Ultraschnelle Magnetisierungs-Dynamik erfassen
Terahertz-Strahlung erlaubt Rückschlüsse auf Domänen-Änderungen im Pikosekunden-Bereich.
Computerspeicher werden immer schneller – und viele arbeiten mit Magnetismus. Daten werden gespeichert, indem die Ausrichtung von Magnetdomänen verändert wird. Dabei entsteht eine elektromagnetische Strahlung, die Rückschlüsse darauf zulässt, wie sich der Magnetzustand verändert hat. Wenn Daten in einem Magnetspeicher ultraschnell in Pikoekunden geändert werden, sind herkömmliche Messmethoden allerdings zu langsam – denn dabei entsteht Strahlung, die im Terahertz-Bereich liegt. Eine internationale Forschungsgruppe unter der Leitung von Dmitry Turchinovich von der Uni Bielefeld hat jetzt ein Verfahren entwickelt, das Terahertz-Strahlung nutzt, um ultraschnelle Änderungen des magnetischen Zustands in einem Material präzise nachzuverfolgen. Das könnte dazu beitragen, Computerspeicher schneller zu machen und auch verschiedene Nanomaterialien besser erforschen zu können.
„Die elektromagnetischen Wellen sind so etwas wie ein Fingerabdruck der Magnetisierungsdynamik“, erläutert Turchinovich. In der Strahlung sind sämtliche Informationen über die Veränderung des magnetischen Zustands enthalten. Um das zu nutzen, ist es allerdings nötig, sie empfindlich genug erfassen und korrekt analysieren zu können. Bislang war es schwierig, solche Veränderungen exakt zu messen. Die bisherigen Methoden sind fehleranfällig und aufwändig – manche funktionieren zum Beispiel nur im Ultrahochvakuum. Außerdem wird die schwache Terahertz-Strahlung leicht von Störfaktoren aus der Umgebung überdeckt.
In ihren Versuchen sendeten die Forscher Laserimpulse auf Eisennanofilme, die dadurch sehr schnell entmagnetisierten. Zeitgleich erfassten sie die Terahertz-Strahlung, die bei dieser Entmagnetisierung entstand. „Als unsere Analyse abgeschlossen war, stellten wir fest, dass wir tatsächlich weit mehr gesehen haben, als wir erwartet hatten“, sagt Turchinovich. „Es ist bereits seit einiger Zeit bekannt, dass Eisen bei Beleuchtung mit Laserlicht sehr schnell entmagnetisieren kann. Was wir aber zudem erfassten, war ein relativ kleines, aber sehr deutliches zusätzliches Signal.“
Dieses Signal schien von einer Entmagnetisierung im Eisen zu stammen, die von einem sehr schnellen Schallimpuls verursacht wurde. Wie aber entstand dieser Schall? Dieser Frage gingen die Wissenschaftler nach. Während der Eisenfilm das Laserlicht absorbierte, entmagnetisierte das Material nicht nur, sondern es wurde auch heiß. „Wie wir wissen, dehnen sich die meisten Materialien aus, wenn sie heiß werden – und diese Ausdehnung des Eisennanofilms löste einen Schallimpuls aus“, sagt Turchinovich. „Dieser Schallimpuls prallte daraufhin zwischen den inneren und äußeren Probengrenzen hin und her. Und jedes Mal, wenn dieses Echo durch den Eisennanofilm drang, bewegte der Schalldruck die Eisenatome ein wenig, was den Magnetismus im Material weiter schwächte.“
Dieser Effekt wurde auf einer so ultraschnellen Zeitskala bisher noch nie beobachtet. „Wir freuen uns, dass wir dieses akustisch angetriebene ultraschnelle Magnetisierungssignal so deutlich sehen konnten und dass es so stark war“, sagt Turchinovich. „Wir werden jetzt natürlich weiter daran forschen.“ Unklar ist bislang, ob es vielleicht sogar möglich ist, den Schall direkt zu nutzen, um magnetische Speichersystemen zu steuern. Das könnte das Problem lösen, dass bei der herkömmlichen Speicherung durch Laserlicht viel Wärme entsteht. Damit könnte der Speichervorgang beschleunigt und Energie gespart werden.
„Das liegt aber alles noch weit in der Zukunft“, sagt Turchinovich. „Ich gehe davon aus, dass die Methode eine große Relevanz erreichen wird, wenn sie erst einmal ausgereift ist. Sie wird uns auch dabei helfen können, verschiedene Nanomaterialien, und besonderes Magnetsysteme noch besser zu verstehen. Zunächst einmal müssen wir aber die Grundlagen erforschen.“
U. Bielefeld / RK
