Die Magnetisierungsgeschwindigkeit eines Materials wurde von einem internationalen Wissenschaftlerteam entdeckt.
Die Forscher der Lancaster University, der University of California San Diego, des Moscow Institute for Physics and Technology und der Radboud University haben eine der faszinierendsten Fragen des Magnetismus beleuchtet: Wie schnell kann eine Magnetisierung in einem Material erzeugt werden?
Ihre Forschung ist veröffentlicht in Naturkommunikation.
Die Forscher untersuchten die übliche magnetische Legierung aus Eisen und Rhodium (FeRh), die einen Übergang sowohl in ihrer Struktur als auch in ihrem Magnetismus zeigt, wenn sie knapp über Raumtemperatur erhitzt wird. Bei Raumtemperatur hat FeRh aufgrund seiner antiferromagnetischen Natur keine Nettomagnetisierung, aber wenn es knapp über Raumtemperatur erhitzt wird, wird das Material zu einem Ferromagneten.
Die Forscher fanden heraus, dass FeRh in drei Stufen in seine ferromagnetische Phase übergeht:
Die Kenntnis der verschiedenen beteiligten Stadien und ihrer entsprechenden Zeitskalen beim Induzieren einer wohldefinierten Magnetisierung mit einem Lichtimpuls bietet die Möglichkeit, FeRh in der Datenspeichertechnologie der nahen Zukunft einzusetzen.
Beispielsweise kann FeRh als Speichermedium bei der wärmeunterstützten Magnetaufzeichnung (HAMR) verwendet werden, einer Technologie, die sowohl externe Wärme als auch lokale Magnetfelder verwendet, um Informationen mit einer viel höheren Bitdichte zu speichern – winzigen magnetischen Regionen, in denen Informationen gespeichert werden.
Der Physiker Dr. Rajasekhar Medapalli von der Lancaster University sagt, dass „das Verständnis der Details der verschiedenen Stadien, die an der schnellen Entstehung von Magnetisierung in einem Material beteiligt sind, Wissenschaftlern bei der Entwicklung ultraschneller und energieeffizienter magnetischer Datenspeichertechnologien hilft.“
Die Forschung umfasste die Verwendung intensiver ultrakurzer Laserpulse, um FeRh in einem kurzen künstlichen Stimulus, der nur eine Billiardstel Sekunde dauerte, schnell zu erhitzen. Bei der Wechselwirkung mit dem Material erhöhte der Laserpuls die Temperatur um einige hundert Grad Celsius in Zeitskalen von weniger als einer Milliardstel Sekunde.
Es war lange Zeit ein faszinierendes Ziel für Forscher in der Physik der kondensierten Materie, diese ultraschnelle Wärme zu nutzen und den magnetischen Phasenübergang in FeRh kontrollieren zu können, aber es war eine Herausforderung, diesen Übergang experimentell nachzuweisen.
Um die Herausforderung zu meistern, nutzten die Wissenschaftler die Tatsache, dass eine zeitveränderliche Magnetisierung ein zeitveränderliches elektrisches Feld in einem Medium erzeugt, das als Strahlungsemitter fungieren sollte. Die emittierte Strahlung trägt sensible Informationen über ihren Ursprung, dh zeitlich veränderliche Magnetisierung in der Probe.
Die Forscher verwendeten die neuartige zeitaufgelöste Doppelpumpen-Spektroskopietechnik, die an der Radboud University entwickelt wurde. Sie nutzten zwei Laserpulse zum doppelten Pumpen: Während der erste Laserpuls als ultraschnelles Heizelement dient, hilft der zweite bei der Erzeugung eines elektrischen Felds. Indem sie dieses Feld in mehreren Zeitabständen zwischen den beiden Laserpulsen detektierten, konnten die Forscher beobachten, wie schnell die Magnetisierung im Material entsteht.
G. Li et al, Ultraschnelle Kinetik des antiferromagnetisch-ferromagnetischen Phasenübergangs in FeRh, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30591-2