03.07.2019 • Magnetismus

Ultraschneller Magnetismus

Elektron-Phonon-Wechselwirkungen an BESSY II analysiert.

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.

Abb.: Nach Anregung durch Synchrotronstrahlung (grün) emittiert Nickel...
Abb.: Nach Anregung durch Synchrotronstrahlung (grün) emittiert Nickel Röntgenlicht (gelb). Die Anzahl der emittierten Photonen nimmt jedoch ab, wenn sich die Temperatur von Raumtemperatur (links) auf 900 Grad Celsius erhöht (rechts; Bild: HZB)

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

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