Themen: Kooperationen (139) BESSY II (269) Spintronik (93)

Science Highlight    18.04.2018

Laser erzeugt Magnet – und radiert ihn wieder aus

Laserlicht zum Schreiben und Löschen von Informationen: Ein starker Laserpuls bringt die atomare Ordnung in einer Legierung durcheinander und erzeugt magnetische Strukturen (links). Ein zweiter, schwächerer Laserpuls ermöglicht den Atomen, auf ihre angestammten Gitterplätze zurückzukehren (rechts).
Copyright: Sander Münster / HZDR

Mit einem Laserstrahl in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen – das gelang Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität von Virginia in Charlottesville, USA. Der überraschende Effekt ist zudem reversibel. Da Laser in der Industrie weit verbreitet sind, könnten sich für die Materialbearbeitung, für optische Technologien oder die Datenspeicherung ganz neue Perspektiven eröffnen.

„Die Experimente haben wir mit einer Legierung aus Eisen und Aluminium durchgeführt. Sie wird gerne als Prototyp für das Studium von Magnetisierungsmechanismen gewählt, weil kleinste Änderungen in der Anordnung der Atome das magnetische Verhalten komplett verändern können“, erklärt der Physiker Dr. Rantej Bali vom HZDR. Das Material hat eine hochgeordnete Struktur: Die beiden Atom-Sorten sind lagenweise übereinander geschichtet. „Die Aluminium-Atome trennen die Eisenschichten voneinander. Wenn ein Laserstrahl diese Ordnung zerstört, rücken die Eisen-Atome näher zusammen und das Material verhält sich plötzlich wie ein Magnet.“

Um die Wechselwirkung zwischen Laser und Legierung genauer untersuchen zu können, setzten Dr. Bali und sein Team eine dünne Schicht aus der Eisen- und Aluminium-Legierung auf einen transparenten Magnesium-Kristall. Am BESSY II-Synchrotron des HZB kann mit einem speziellen Mikroskop und polarisierter Röntgenstrahlung der Effekt eines Laserstrahls auf die magnetische Ordnung der Probe hochgenau vermessen werden (X-Ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD). Sobald die Forscher einen fokussierten Laserstrahl mit einer Pulsdauer von 100 Femtosekunden (eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer milliardstel Sekunde) auf die Legierung richteten, bildete sich dort ein ferromagnetischer Bereich.

Später bestrahlten die Wissenschaftler den Bereich erneut, reduzierten allerdings die Energie des Lasers. Es zeigte sich, dass die Magnetisierung durch diese Behandlung wieder verschwand: Nach einem ersten Laserpuls war nur noch die Hälfte der Magnetisierung vorhanden. Mit einer Serie von Laserpulsen ließ sich die Magnetisierung sogar vollständig löschen. „Wir sind hier auf ein völlig neues Phänomen gestoßen“, unterstreicht HZDR-Wissenschaftler Bali. „Mit einem Laser können wir ferromagnetische Strukturen erzeugen und dies auch wieder rückgängig machen.“

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of Virginia in Charlottesville, USA konnten die Forscher klären, was in der Legierung passiert. Die Simulationen der amerikanischen Kollegen zeigen, dass der kurze Laserpuls das ultradünne Material so stark aufheizt, dass es von der Oberfläche bis zur Magnesium-Schicht schmilzt. Es bildet sich ein flüssiger Bereich in der Legierung, in dem die Atome ihre angestammten Plätze verlassen können. Wenn die Legierung wieder abkühlt, gerät sie in den Zustand einer „unterkühlten Flüssigkeit“, das heißt sie bleibt geschmolzen, obwohl die Temperatur bereits unter dem Schmelzpunkt liegt. Das liegt daran, dass nicht genügend Kristallisationskeime – mikroskopisch kleine Startpunkte, die die Atome benötigen, um sich zum Kristallgitter zu ordnen – vorhanden sind.

Während die Atome in diesem unterkühlten Zustand auf der Suche nach Kristallisationskeimen sind, fällt die Temperatur weiter. Die Atome müssen sich in dem Prozess, der nur wenige Nanosekunden (der millionste Teil einer millionstel Sekunde) dauert, schließlich zu einem festen Kristallgitter zusammenfügen – und nehmen dabei zufällige Plätze ein. So entsteht der Magnet.

Mit demselben Laser kann man die Magnetisierung jedoch wieder rückgängig machen. Dazu muss die Energie des Laserpulses gesenkt werden. Die Legierung schmilzt dann erneut, allerdings nur in einem kleinen Bereich an der Grenzfläche. Beim Abkühlen bilden sich ausreichend Kristallisationskeime. Der unterkühlte Zustand tritt in diesem nur eine Nanosekunde dauernden Prozess nicht auf und die Atome können deshalb wieder auf ihre Gitterplätze zurückwandern und sich in Schichten arrangieren. Jonathan Ehrler, der als Doktorand an den Arbeiten beteiligt war, fasst zusammen: „Zum Schreiben von magnetischen Bereichen müssen wir das Material von der Oberfläche bis zur Basis schmelzen, zum Löschen darf man aber nur einen Teil schmelzen.”

In weiteren Versuchen wollen die Forscher nun untersuchen, ob und wie stark der Effekt bei anderen Legierungen auftritt. Außerdem möchten sie erkunden, wie sich die Kombination mehrerer Laserstrahlen auswirkt. Durch Interferenzeffekte könnten so magnetische Muster auch in großflächigen Materialschichten möglich sein. „Das Phänomen an sich ist sehr bemerkenswert und vielleicht ergeben sich interessante Anwendungen dafür“, so Rantej Bali. Laser werden in der Industrie vielseitig eingesetzt, etwa in der Materialbearbeitung, aber auch die optischen Technologien und die Datenspeicherung könnten von der Entdeckung profitieren, schätzt der Wissenschaftler vom HZDR ein.

Publikation: Jonathan Ehrler et al., ACS Applied Materials & Interfaces, “Laser-rewriteable Ferromagnetism at Thin Film Surfaces”, DOI-Link: http://dx.doi.org/10.1021/acsami.8b01190

 

HZDR


           



Das könnte Sie auch interessieren
  • <p>Im Innovationslabor HySPRINT arbeiten HZB-Teams an neuen Verfahren zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen.</p>NACHRICHT      16.05.2019

    Europäische Perowskit-Initiative EPKI gestartet

    Perowskit-basierte Solarzellen haben in den letzten zehn Jahren enorme Fortschritte gemacht und erreichen im Labormaßstab bereits Wirkungsgrade von 24,2% (Anfang 2019) in Single-Junction-Architekturen und bis zu 28% im Tandem mit kristallinem Silizium. Dies macht sie zu der Solartechnologie, die sich bis heute am schnellsten entwickelt. Das Helmholtz-Zentrum Berlin hat in den letzten Jahren mit dem HySPRINT Projekt und der Rekrutierung talentierter Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler eine erhebliche Forschungskapazität im Bereich Perowskit-Materialien aufgebaut und beteiligt sich an der nun gestarteten Europäischen Perowskit-Initiative EPKI. [...]


  • <p>Eine ferrimagnetische Probe aus einer Eisen-Gadolinium Legierung wurde am Femtoslicing-Experiment von BESSY II analysiert.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      10.05.2019

    Laserinduzierte Spindynamik in Ferrimagneten: Wohin geht der Drehimpuls?

    Durch intensive Laserpulse kann die Magnetisierung eines Materials sehr schnell manipuliert werden. Magnetisierung wiederum ist fundamental mit dem Drehimpuls der Elektronen im Material verbunden. Ein Forscherteam des Max-Born-Instituts für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) konnte nun an BESSY II den Drehimpulstransfer in einer ferrimagnetischen Eisen-Gadolinium-Legierung im Detail verfolgen. Dabei gelang es ihnen, am Femtoslicing-Experiment bei BESSY II die ultraschnelle optische Entmagnetisierung zu vermessen und deren grundlegende Prozesse und Geschwindigkeitsgrenzen zu verstehen. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht. [...]


  • <p>Die Tomographie einer neuwertigen Lithium-Elektrode.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      06.05.2019

    3D-Tomographien zeigen, wie Lithium-Akkus altern

    Lithium-Akkus verlieren mit der Zeit an Kapazität. Bei jeder neuen Aufladung können sich Mikrostrukturen an den Elektroden bilden, die die Kapazität weiter reduzieren. Nun hat ein HZB-Team zusammen mit Batterieforschern aus dem Forschungszentrum Jülich, der Universität Münster und Partnern aus Forschungseinrichtungen in China den Prozess der Degradation von Lithium-Elektroden erstmals im Detail dokumentiert. Dies gelang ihnen mithilfe eines 3D-Tomographieverfahrens mit Synchrotronstrahlung an BESSY II (HZB) sowie am Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG). Ihre Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Materials Today veröffentlicht (Open Access). [...]




Newsletter