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Schnelles Schalten durch ultraschnelle Lichtimpulse © J.K. Dewhurst
Schnelles Schalten durch ultraschnelle Lichtimpulse © J.K. Dewhurst

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Forscher beobachten das schnellste magnetische Phänomen

26.06.2019

Die raschere Manipulation von magnetischen Zuständen könnte in Zukunft etwa die Herstellung schnellerer Festplatten ermöglichen. Das schnellste magnetische Phänomen, das bisher beobachtet werden konnte, haben Forscher aus Graz und Greifswald gemessen. Die Experimentalphysiker konnten erstmals das magnetische Moment von Materialien synchron zu deren elektrischen Eigenschaften direkt beeinflussen.

Magnetische Speichertechniken stoßen bei immer größeren Datendichten allmählich an ihre Grenzen. Forscher im Bereich des ultraschnellen Magnetismus suchen auch daher nach Wegen, auf magnetische Phänomene schneller und zuverlässig einzuwirken, damit in immer kürzerer Zeit immer mehr Datenmengen gespeichert werden können. Allerdings laufen die interessantesten Prozesse auf einer Zeitskala von Femtosekunden ab: Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Wer Bewegungen von Elektronen oder die Veränderungen in magnetischen Feldern beobachten will, benötigt daher neueste experimentelle Techniken und muss unheimlich genau messen können. Das ist dem deutsch-österreichischem Forscherteam gelungen, wie sie in der jüngsten Ausgabe des Forschungsjournals "Nature" darlegten.

Ultrakurze Laserblitze

Elektronische Eigenschaften von Materialien lassen sich unmittelbar innerhalb von weniger als einer Femtosekunde beeinflussen. Magnetisches Schalten dauert etwas länger - einige hundert Femtosekunden, denn das magnetische Moment von Materie ließ sich bis dato nur über einen Licht und Magnetismus verknüpfenden Prozess steuern. Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik und Mikrostrukturphysik des Berliner Max-Born-Instituts der Uni Greifswald und der TU Graz ist es nun mittels ultrakurzer Laserblitze gelungen, die magnetischen Eigenschaften eines ferromagnetischen Materials auf der wesentlich kürzeren Zeitskala von elektrischen Feldschwingungen des Lichts zu manipulieren. Dabei konnte die Beeinflussung um den Faktor 200 beschleunigt werden, wie die TU Graz mitteilte.

"Noch nie wurde ein so schnelles magnetisches Phänomen beobachtet. Ultrafast Magnetism bekommt dadurch eine völlig neue Bedeutung", zeigte sich Martin Schultze vom Institut für Experimentalphysik der TU Graz erfreut. Er war bis vor kurzem noch am Münchner Max-Planck-Institut für Quantenoptik tätig und von dort aus ins Forschungsprojekt eingebunden. Die Möglichkeit, die ultraschnell ablaufenden Prozesse in Echtzeit zu beobachten, bietet ihm die Attosekunden-Spektroskopie. Dabei können magnetische Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen, die sich im unvorstellbar kurzen Bereich von Milliardsteln einer Milliardstelsekunde bewegen, bei sehr hohen Wiederholraten beleuchtet und elektronisch beeinflusst werden.

"Die Lichtblitze setzen im Material einen intrinsischen und üblicherweise verzögernden Prozess in Gang. Dieser übersetzt die elektronische Anregung in eine Änderung der magnetischen Eigenschaften", erklärte der nun in Graz tätige Wissenschafter. Am TU-Institut für Experimentalphysik leitet er eine Arbeitsgruppe mit Schwerpunkt Attosekundenphysik.

Ferromagnet mit nicht-magnetischem Metall kombiniert

Die Forscher fanden eine Kombination aus einem Ferromagnet mit einem nicht-magnetischen Metall, mit der sich die magnetische Reaktion genau so schnell herbeiführen lässt, wie die elektronische: "Durch die spezielle Konstellation konnten wir optisch eine räumliche Umverteilung der Ladungsträger bewirken, die eine direkt damit verknüpfte Änderung der magnetischen Eigenschaften zur Folge hatte", erläuterte Markus Münzberg von der Universität Greifswald, wo die getesteten Materialsysteme entwickelt und hergestellt wurden.

"Wir erwarten uns dadurch einen signifikanten Entwicklungsschub für sämtliche Anwendungen, bei denen Magnetismus und Elektronenspin eine Rolle spielen", kommentierte Sangeeta Sharma, Forscherin am Max-Born-Institut Berlin. Im Rahmen ihrer Messungen konnten die Forscher auch zeigen, dass die quantenmechanische Wellennatur der bewegten Ladungsträger erhalten bleibt und der beobachtete Prozess somit kohärent verläuft. Laut Mitteilung der TU Graz erlaube das den Forschenden, statt größerer Maßeinheiten gleich einzelne Atome als Informationsträger zu nutzen, die geänderten magnetischen Eigenschaften mit einem weiteren, zeitverzögerten Laserblitz gezielt zu beeinflussen und damit die technologische Miniaturisierung weiter voranzutreiben.

Das TU-Institut für Experimentalphysik Graz soll künftig zu einem Zentrum für ultrazeitaufgelöste Spektroskopie elektronischer und magnetischer Phänomene ausgebaut werden. Am Campus Neue Technik wird dazu gerade ein modernes Laserlabor eingerichtet.

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