Ultraschneller Magnetismus

Wie schnell kann ein Magnet seine Ausrichtung ändern und was sind die mikro­skopischen Mechanismen? Diese Fragen sind für die Entwicklung von Daten­speichern und Computerchips von größter Bedeutung. Jetzt ist es einem HZB-Team am BESSY II erstmals gelungen, den wichtigsten mikroskopischen Prozess des ultra­schnellen Magnetismus experi­mentell zu beobachten. Die zu diesem Zweck entwickelte Methodik kann auch zur Untersuchung von Wechsel­wirkungen zwischen Spins und Gitter­schwingungen in Graphen, Supra­leitern oder anderen Materialien verwendet werden.

Wechselwirkungen zwischen Elektronen und Phononen gelten als die treibende Kraft hinter ultra­schnellen Magneti­sierungs- oder Ent­magneti­sierungs­prozessen, den Spin-Flips. Bisher war es jedoch aufgrund des Fehlens geeigneter Methoden nicht möglich, solche ultra­schnellen Prozesse im Detail zu beobachten. Jetzt hat ein Team um Alexander Föhlisch eine neuartige Methode entwickelt, um erstmals die Spin-Flip-Streurate, die durch Elektron-Phonon-Wechsel­wirkungen getrieben wird, in zwei Modellsystemen experimentell zu bestimmen: in ferromagnetischem Nickel und nicht­magnetischem Kupfer.

Dazu wurde die Röntgen-Emissions­spektroskopie bei BESSY II eingesetzt. Röntgen­strahlung regt dabei zunächst Elektronen in den Proben an, so dass Löcher entstehen, die durch Valenz­elektronen gefüllt werden können. Wenn Valenz­elektronen diese Plätze besetzen, geben sie Licht ab und diese Emission kann dann analysiert werden. Die Proben wurden bei verschiedenen Temperaturen gemessen, um die Auswirkungen der zunehmenden Gitter­schwingungen zu beobachten.

Mit steigender Temperatur zeigte ferromagnetisches Nickel einen starken Rückgang der Emissionen. Diese Beobachtung passt gut zu der theoretischen Simulation von Prozessen in der elektronischen Band­struktur von Nickel nach Anregungen: Durch die Erhöhung der Temperatur und damit der Phononen­population steigt die Streurate zwischen Elektronen und Phononen. Gestreute Elektronen stehen für den Zerfall nicht mehr zur Verfügung, was zu einer Abnahme der Licht­emission führt. Wie erwartet, hatten beim diamagnetischen Kupfer die Gitter­schwingungen kaum Einfluss auf die gemessenen Emissionen.

HZB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Decker et al.: Measuring the atomic spin-flip scattering rate by x-ray emission spectroscopy, Sci. Rep. 9, 8977 (2019); DOI: 10.1038/s41598-019-45242-8
• Institut Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung  (A. Föhlisch), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH