Themen: Kooperationen (139) BESSY II (269) Spintronik (93) HZB-Eigenforschung (99)

Science Highlight    21.08.2018

Zukünftige Informationstechnologien: Wärmetransport auf der Nanoskala unter die Lupe genommen

Der Laserpuls (rot) erzeugt Wärme im Dünnschichtsystem. Mit zeitaufgelösten Röntgendiffraktionsexperimenten lässt sich analysieren, wie sich die Wärme verteilt.
Copyright: HZB/Uni Potsdam

Die Wärme wird sowohl über die Elektronen als auch die Kristallgitter verteilt. Bis zum thermischen Gleichgewicht benötigt das System hundertmal länger als erwartet.
Copyright: Uni Potsdam

Ein Forscherteam aus dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität Potsdam hat den Wärmetransport in einem Modellsystem aus nanometerdünnen metallischen und magnetischen Schichten untersucht. Ähnliche Systeme sind Kandidaten für künftige hocheffiziente Datenspeicher, die durch Laserpulse lokal erhitzt und neu beschrieben werden können (Heat-Assisted Magnetic Recording). Experimente mit kurzen Röntgenpulsen zeigten nun, dass sich in dem Modellsystem die Wärme hundertmal langsamer als erwartet verteilt. Die Ergebnisse sind in Nature Communications publiziert.

Alle Metalle leiten Wärme üblicherweise hervorragend: Durch die frei beweglichen Elektronen verteilt sich lokale Hitze fast blitzschnell. Deutlich langsamer leiten isolierende Materialien Wärme, die nicht über freie Elektronen verfügen, sondern allein auf Gitterschwingungen angewiesen sind. Nun hat ein Team um Prof. Dr. Matias Bargheer von der Universität Potsdam, der am HZB eine Gemeinsame Forschungsgruppe zu ultraschneller Dynamik leitet, den Wärmetransport in einem metallisch-magnetischen Modellsystem genau unter die Lupe genommen.

Gold auf Nickel

Das Modellsystem besteht aus einer nanometerdünnen ferromagnetischen Nickelschicht (12,4 nm), die auf einem Magnesiumoxid-Substrat aufgebracht wurde. Darüber wurde eine noch dünnere Schicht Gold (5,6 nm) abgeschieden. Mit einem ultrakurzen Laserpuls (50 Femtosekunden) brachten die Physiker lokal Wärme in das Modellsystem und ermittelten mit extrem kurzen Röntgenpulsen (200 Femtosekunden) zeitaufgelöst, wie sich die Wärme in den beiden Nanoschichten verteilte. Der erste Befund: Bis zum thermischen Gleichgewicht braucht das Modellsystem nicht wie erwartet etwa eine Pikosekunde sondern hundertmal so lange.

Wärmetransport untersucht

Die zeitaufgelösten Messungen zeigten, was genau geschieht: „Obwohl der Laser zunächst die Goldschicht trifft, bleibt das Kristallgitter des Goldes kühl. Fast 90 Prozent der Energie wird an die Nickel-Elektronen weitergeleitet und dort ins Kristallgitter eingebracht“, berichtet Bargheer. Weil das Elektronensystem im Nickel sehr viel stärker an die Gitterschwingungen koppelt als im Gold, nimmt das Nickel-Kristallgitter die Wärme von den Nickel-Elektronen auf. Das Nickel-Gitter ist jedoch ein schlechter Wärmeleiter und gibt kaum Energie an das Gold-Gitter ab. Dies gelingt nur über einen Umweg: Denn mit der Zeit nehmen Elektronen aus dem Gold Wärmeenergie aus dem Nickelkristallgitter auf und regen damit wiederum Gold-Gitterschwingungen an, bis das thermische Gleichgewicht erreicht ist.

„Wir haben mit diesem Versuchsaufbau zeigen können, dass es sich lohnt, solche Transportprozesse zeitaufgelöst zu analysieren. Deshalb freuen wir uns sehr, dass wir solche Versuche bald auch an der sehr viel mächtigeren Röntgenquelle BESSY II machen können, die demnächst zu BESSY-VSR ausgebaut wird und dann zeitgleich auch sehr kurze, intensive Röntgenpulse anbietet“, sagt Bargheer.

Ausblick: neue Datenspeicher

Künftige Datenspeicher, die auf dem so genannten wärmegestützten magnetischen Speichern (Heat-Assisted Magnetic Recording oder HAMR) basieren, können mit Laserpulsen lokal erhitzt und überschrieben werden. Mit einem vertieften Verständnis der Transportvorgänge könnten solche Systeme so entwickelt werden, dass sie mit minimaler Energie auskommen.

Die Experimente fanden an der Universität Potsdam statt, die Proben haben Partner an der Universität Regensburg hergestellt, außerdem waren an der Arbeit Gruppen der Université Lorraine, Nancy, Frankreich und vom Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA beteiligt.

 

Zur Publikation in Nature communications (2018): Layer specific observation of slow thermal equilibration in ultrathin metallic nanostructures by femtosecond x-ray diffraction. J. Pudell, A. A. Maznev, M. Herzog, M. Kronseder, C. Back, G. Malinowski, A. von Reppert, & M. Bargheer.

DOI: 10.1038/s41467-018-05693-5

arö


           



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>Ein erster Laserpuls (gr&uuml;n) regt die Elektronen im Cu<sub>2</sub>O an; Bruchteile von Sekunden sp&auml;ter folgt ein zweiter Laserpuls (UV-Licht), um die Energie des angeregten Elektrons zu messen.</p>SCIENCE HIGHLIGHT      09.05.2019

    Photokathoden aus Kupferoxid: Laserexperiment zeigt Ursachen für hohe Verluste

    Kupferoxid könnte in Solarzellen oder als Photokathode für die solare Energieumwandlung theoretisch hohe Wirkungsgrade ermöglichen. Praktisch aber kommt es zu großen Verlusten. Nun konnte ein Team am HZB mit einem raffinierten Femtosekunden-Laserexperiment aufklären, wo diese Verluste stattfinden: Sie treten weniger an den Grenzflächen auf, sondern vielmehr bereits im Innern des kristallinen Materials. Diese Ergebnisse geben Hinweise, um Kupferoxid und andere Metalloxide für Anwendungen als Energiematerialien zu optimieren. [...]




Newsletter