Forscher entdecken neues magnetisches Phänomen bei ultraschneller Ummagnetisierung - Grundlage für schnelle Datenverarbeitung

ultraschnelle Ummagnetisierung

Berlin - Wichtig für die Beschreibung der magnetischen Ordnung in Festkörpern ist die Austauschwechselwirkung. Sie bestimmt, ob ein Material ferromagnetisch oder antiferromagnetisch ist - ob die magnetischen Momente der Atome parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind. Wird die magnetische Ordnung gestört, stellt die Austauschwechselwirkung sie innerhalb von weniger als 100 Femtosekunden wieder her. Wie sich die magnetischen Momente durch eine Störung in solchen kurzen Zeitskalen verhalten, ist bisher jedoch unbekannt. Wissenschaftler an der Synchrotronquelle BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin haben ultraschnelle Ummagnetisierungen realisiert, welche unterhalb der Zeitskala der Austauschwechselwirkung stattfinden. Dabei haben sie Unerwartetes entdeckt: Während der Ummagnetisierung bildete sich in einem Ferrimagneten kurzzeitig ein ferromagnetischer Zustand des untersuchten Materials aus.

Die Dynamik der magnetischen Momente von Atomen bildet die Grundlage von vielen Datenverarbeitungsmedien. Magnetische Speicher zum Beispiel können "beschrieben" und "ausgelesen" werden, indem das Material punktuell ummagnetisiert wird. Durch eine schnelle Ummagnetisierung im Femtosekunden-Bereich lassen sich Verarbeitungsgeschwindigkeiten von Daten realisieren, die 1000-mal schneller sind als in handelsüblichen Computern.

Im Experiment am BESSY II haben Forscher die Dynamik der magnetischen Momente einer ferrimagnetischen Legierung aus Gadolinium, Eisen und Kobalt (GdFeCo) innerhalb kürzester Zeitskalen im Femtosekunden-Bereich untersucht. Dazu schickten sie ultrakurze Laserpulse auf das Material. Die Ummagnetisierung beobachteten sie mit ebenso kurzen zirkular polarisierten Röntgenlichtpulsen. Während die Fe-Atome ihre Magnetisierung innerhalb von 300 Femtosekunden umdrehten, brauchten die Gd-Atome etwa fünfmal so lang. Es entstand somit für kurze Zeit ein Ferromagnet, alle magnetische Momente hatten sich parallel zueinander ausgerichtet. Anschließend stellte sich wieder ein ferrimagnetischer Zustand ein. In einem Ferrimagneten sind die magnetischen Momente unterschiedlicher Atome entgegengesetzt ausgerichtet. Jedoch heben sich diese nicht gegenseitig auf wie in einem Antiferromagneten, da eine der beiden Richtungen jeweils ein größeres Moment besitzt als die andere Richtung.

Für die Ordnung der magnetischen Momente spielt die Austauschwechselwirkung eine große Rolle. Sie ist ein rein quantenmechanischer Effekt und lässt sich aus dem Pauli Prinzip herleiten. Es besagt, dass keine zwei Elektronen sich im gleichen Zustand befinden können. Daraus folgt, dass sie sich entweder an unterschiedlichen Orten aufhalten oder einen entgegengesetzten Spin besitzen müssen. Je nach Anordnung der Elektronen und ihrer Spins lassen sich für unterschiedliche Materialien andere magnetische Ordnungen feststellen.