26.08.2020 • Magnetismus

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.

Abb.: Dmitry Turchinovich (links) und sein Doktorand Wentao Zhang befassen sich...
Abb.: Dmitry Turchinovich (links) und sein Doktorand Wentao Zhang befassen sich mit der Messung ultraschneller Terahertz-Strahlung. (Bild: M.-D. Müller, U. Bielefeld)

„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

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