Hochgeschwindigkeits-Aufnahme mit Röntgenlaser zeigt magnetische Vorgänge

Villigen (Schweiz)/Menlo Park (USA)/Hamburg – Ein internationales Team hat mit Experimenten am amerikanischen Röntgenlaser LCLS erstmals genau verfolgen können wie sich die magnetische Struktur eines Materials verändert. Für den Versuch wurde eine Probe aus Kupferoxid (CuO) durch einen Laserblitz angeregt. Mit Hilfe kurzer Röntgenpulse konnten die Wissenschaftler dann für verschiedene Zeitpunkte Momentaufnahmen einzelner Zwischenschritte der Veränderung der magnetischen Struktur erfassen. So zeigte es sich zum Beispiel, dass die Struktur erst 400 Femtosekunden nach dem Laserblitz beginnt, sich zu verändern (1 Femtosekunde = 0,000 000 000 000 001 Sekunde). Offenbar brauchen die Elementarmagnete innerhalb des Materials soviel Zeit um sich miteinander zu verständigen bevor sie reagieren. Über ihre Arbeit berichten die Forschenden im Fachjournal Physical Review Letters (PRL).

Die zwei Zustände von Kupferoxid

Materialien mit besonderen magnetischen Eigenschaften sind Grundlage vieler aktueller Techniken, insbesondere der Datenspeicherung auf Festplatten und anderen Medien. Dabei macht man sich meist die magnetische Ordnung in den Materialien zu nutze: die Atome im Material verhalten sich zum Teil wie winzige Stabmagnete („Spins“). Diese Mini-Magnete können in verschiedener Weise ausgerichtet sein. In ihrer Ausrichtung kann dann Information gespeichert werden. Für eine effiziente Datenspeicherung ist es entscheidend, alte Daten schnell durch neue überschreiben zu können. Das ist dann besonders gut möglich, wenn sich die magnetische Ordnung in einem Material in sehr kurzer Zeit ändern lässt. Um neuartige Materialien zu entwickeln, die ein noch schnelleres Speichern zulassen, ist es deshalb wichtig, den zeitlichen Ablauf dieser Änderung genau zu verstehen.

Einem Team, das von Forschern des Paul Scherrer Instituts geleitet wurde, gelang es kürzlich, diesen Vorgang für die magnetische Ordnung in Kupferoxid (CuO) zu untersuchen. Dieses Material weist je nach Temperatur völlig verschiedene magnetische Ordnungen auf: unter Minus 60 Grad Celsius weisen die Spins, die an den Kupfer-Atomen (Cu) als Magnete wirken, abwechselnd in die eine und die entgegengesetzte Richtung. Zwischen Minus 60 und Minus 43 Grad Celsius sind sie spiralförmig angeordnet als würden sie ein Wendeltreppe bilden. Wie die beiden Ordnungen aussehen, weiss man schon länger – wie lange der Übergang von der einen zur anderen Anordnung dauert, zeigte aber erst das Experiment am LCLS.

Veränderung der magnetischen Strukturen von CuO im Zeitverlauf (t_p)

„In unserem Versuch haben wir mit einer kalten Probe angefangen und diese mit einem intensiven Lichtblitz aus einem optischen Laser aufgeheizt,“ erklärt Steven Johnson, Sprecher des Experiments. „Kurz danach bestimmten wir die Struktur der Probe, indem wir sie mit einem extrem kurzen Puls aus dem Röntgenlaser durchleuchteten. Indem wir dies für verschieden Zeitabstände zwischen Lichtblitz und Röntgenpuls wiederholten, konnten wir den Ablauf der Veränderungen der magnetischen Struktur rekonstruieren.“ Das Ergebnis zeigt, dass es etwa 400 Femtosekunden dauert bis die Struktur anfängt, sich sichtbar zu verändern. Danach nähert sich die Struktur allmählich ihrem neuen Endzustand an. Das geschieht umso schneller je intensiver der zur Anregung benutzte Lichtpuls war.

„An der magnetischen Struktur sind die Spins aller Kupferatome beteiligt. So müssen sich die Atome an den verschiedenen Enden des Materials koordinieren bevor sich die Struktur verändern kann. Dafür brauchen sie 400 Femtosekunden“, erklärt Urs Staub, einer der verantwortlichen Forscher des Paul-Scherrer-Instituts. „Für das Kupferoxid ist das die fundamentale Grenze, schneller geht es einfach nicht. Das hängt damit zusammen, wie stark die Spins an benachbarten Atomen miteinander gekoppelt sind.“ Dass sich die Forscher gerade für Kupferoxid interessieren, hat gute Gründe. Bei der schraubenförmigen magnetischen Ordnung, die zwischen Minus 60 und Minus 43 Grad Celsius auftritt, ist das Material auch „multiferroisch“ , d.h. elektrische und magnetische Prozesse beeinflussen sich hier gegenseitig. Solche Materialien haben viele denkbare Anwendungen in Bereichen, in denen Magnetismus und Elektronik miteinander in Wechselwirkung treten.

Neben dem wissenschaftlichen Ergebnis liefert die Arbeit nach Angaben der Forscher erstmals den Beweis, dass es an Röntgenlasern tatsächlich möglich ist, bestimmte extrem schnelle magnetische Vorgänge zu verfolgen. Ähnliche Experimente, die auf solch extrem hoher Zeitauflösung basieren, sind unter anderem am European XFEL in Hamburg und am Paul-Scherrer-Institut (PSI) im Villigen (Schweiz) im Aufbau.