Ultraschnelle Magnetkontrolle
Magnetfeldstufen lassen sich innerhalb von nur wenigen Pikosekunden umschalten.
Magnetfelder sind für die Steuerung der Magnetisierung von Materialien von grundlegender Bedeutung. Unter statischen oder sich langsam verändernden Bedingungen richtet sich die Magnetisierung eines Materials wie eine Kompassnadel am externen Feld aus. Eine völlig neue Magnetisierungsdynamik entsteht jedoch, wenn sich Magnetfelder auf ultraschnellen Zeitskalen ändern – schneller als die Reaktionszeit des Materials. Diese schnellen Transienten sind von großem Interesse für die Grundlagenforschung zu Nichtgleichgewichtszuständen von Materie und für potenzielle Anwendungen in magnetischen Speichern der nächsten Generation, bei denen schnellere Schreibgeschwindigkeiten von entscheidender Bedeutung sind.
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Um diese Herausforderung zu bewältigen, hat ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) ein neuartiges supraleitendes Bauelement entwickelt, das ultraschnelle, unipolare Magnetfeldstufen erzeugen kann, das heißt plötzliche Änderungen des Magnetfeldes mit Anstiegszeiten im Pikosekundenbereich und Abklingzeiten im Super-Nanosekundenbereich. „Unser Ziel ist es, einen universellen, ultraschnellen Stimulus zu schaffen, der jede magnetische Probe zwischen stabilen magnetischen Zuständen umschalten kann“, sagt der Erstautor Giovanni De Vecchi. „Dieser Durchbruch könnte sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Technologie zu Fortschritten führen.“
Das Team unter der Leitung von Andrea Cavalleri erreichte dieses Kunststück durch schnelles Löschen von widerstandslosen Strömen in einer dünnen, supraleitenden YBa₂Cu₃O₇-Scheibe, die einem externen Magnetfeld ausgesetzt war. Supraleitende Materialien bilden von Natur aus diese widerstandslosen Ströme, auch Supraströme genannt, um Magnetfelder zu verdrängen. „Durch das plötzliche Unterbrechen dieser Ströme mit ultrakurzen Laserpulsen konnten wir ultraschnelle Magnetfeldsprünge mit Anstiegszeiten von etwa einer Pikosekunde erzeugen“, sagt Mitautor Gregor Jotzu.
„Die Entwicklung einer Methode zur Echtzeitverfolgung dieser magnetischen Transienten war eine große Herausforderung“, erklärt Mitautor Michele Buzzi. Um dies zu erreichen, platzierten die Forscher einen Detektionskristall in der Nähe der supraleitenden Probe. Die optischen Eigenschaften des Kristalls ändern sich als Reaktion auf das lokale Magnetfeld. Dieser Effekt ermöglicht es dem Team, die zeitliche Entwicklung des Magnetfelds durch die Analyse der Polarisationsrotation eines Femtosekunden-Laserpulses zu verfolgen. „Mit diesem Ansatz haben wir eine Auflösung im Sub-Pikosekundenbereich und eine beispiellose Empfindlichkeit erreicht“, fügt Co-Autor Sebastian Fava hinzu.
Obwohl die in dieser Studie gezeigten Magnetfeldstufen noch keine vollständige Magnetisierungsumschaltung erreichen, glauben die Forscher, dass eine Optimierung der Geometrie des Bauelementes die Amplitude und Geschwindigkeit der Magnetfeldtransienten erhöhen könnte. „Mit geeigneten Verbesserungen stellen wir uns Anwendungen vor, die von der Steuerung des Phasenübergangs bis zur vollständigen Umschaltung der magnetischen Ordnungsparameter reichen“, sagt Andrea Cavalleri.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützte die Studie durch den Exzellenzcluster CUI: Advanced Imaging of Matter. Das MPSD ist Mitglied des Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), einer gemeinsamen Einrichtung mit dem DESY und der Universität Hamburg. Die Forschung wurde in Zusammenarbeit mit Alexey Kimel, Professor an der Radboud University, durchgeführt.
MPSD / DE
