Erst die Bahn, dann der Spin
Christian Stamm an der BESSY II-Beamline zum Femtoslicing
Neuartige Speichermaterialien sollen in Zukunft aus magnetischen Filmen bestehen. Am HZB haben Wissenschaftler erstmals herausgefunden, wie schnell sich magnetische Teilchen steuern lassen.
Christian Stamm und seine Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) blicken auf sechs Jahre Pionierarbeit am Synchrotronring BESSY II zurück. Sie haben ein weltweit einzigartiges Experiment zum so genannten Femtoslicing aufgebaut und publizieren nun erstmals ein Ergebnis, das in Zusammenarbeit mit einer externen Nutzergruppe erzielt wurde.
In der kommenden Ausgabe des Magazins Nature (Volume: 465, Pages: 458–461, DOI: 10.1038/nature09070) berichten sie zusammen mit ihren Kollegen aus Strasbourg, wie schnell der Magnetismus eines Materials beeinflusst werden kann. Dabei sehen sie, dass die Bewegung eines Elektrons um den Atomkern - das Orbitalmoment - und der Eigendrehimpuls des Elektrons (Spin) auf unterschiedliche Weise reagieren.
„Nur mit dem Femtoslicing kann man die ultraschnellen Vorgänge sichtbar machen, die zum Phänomen des Magnetismus beitragen“, begründet Christian Stamm den Aufwand, mit dem mehrere HZB-Wissenschaftler das Experiment an der Berliner Synchrotronquelle BESSY II aufgebaut haben. Sie schießen dabei ultrakurze Laserpulse auf die Elektronen, die sich im Speicherring mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Die getroffenen Elektronen unterscheiden sich von denen, die nicht mit dem Laserstrahl in Berührung kamen. Das Röntgenlicht, das sie während ihres Umlaufs im Speicherring aussenden – das spezielle Synchrotronlicht – trägt nun ebenfalls die Charakteristik, die das Laserlicht mitbringt. Mit diesen ultrakurzen Röntgenblitzen wird schließlich die magnetische Probe untersucht. Das besondere an BESSY II: Nur hier steht den Nutzern aus aller Welt so genanntes zirkular polarisiertes Röntgenlicht für Slicing-Experimente zur Verfügung.
Für Untersuchungen von Spin und Orbitalmoment, die dem Magnetismus zugrunde liegen, ist dies unbedingt erforderlich. Die Ergebnisse, die Christian Stamm und seine Kollegen mithilfe der Femtoslicing-Experimente vorstellen, bringen eine fundamentale Erkenntnis zutage: „Wir konnten zeigen, auf welchem Weg und wie schnell die zugeführte Energie im Elektronenspin ankommt“, sagt der Physiker. Letztlich also, wie schnell sich der Magnetismus von außen beeinflussen und schalten lässt.
Für die Spintronik und die Halbleitertechnologie, die Computer zukünftig auf der Basis von „Spin up“ und „Spin down“ als Pendant zu den Kenngrößen „1“ und „0“ bauen wollen, könnte diese Erkenntnis ein weiterer wichtiger Meilenstein sein, denn sie zeigt, wie sich die Spin-Änderung im Detail vollzieht.
„Die Bewegung der Elektronen auf ihrer Kreisbahn ändert sich sehr schnell, wenn Energie zugeführt wird“, erläutert Christian Stamm. Im Gegensatz zur Spin-Reaktion, die verzögert erfolge. Das heißt: „Will man den Elektronenspin ändern, muss zuerst die Orbitalbewegung der Elektronen zerstört werden. Erst dann dreht sich der Spin.“
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Umweltchemie an BESSY II: Radikale in GewässernWie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.