Der Austausch von Echtzeitinformationen erfordert komplexe Netzwerke von Systemen. Ein vielversprechender Ansatz zur Beschleunigung von Datenspeichern besteht darin, die Magnetisierung bzw. den Spin der Elektronen von magnetischen Materialien mit ultrakurzen Femtosekunden-Laserpulsen zu schalten. Aber wie sich der Spin in der Nanowelt auf extrem kurzen Zeitskalen entwickelt, in einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde, ist weitgehend mysteriös geblieben. Dem Team von Professor François Légaré vom Institut national de la recherche scientifique (INRS) ist in Zusammenarbeit mit der TU Wien, Österreich, der französischen nationalen Synchrotroneinrichtung (SOLEIL) und anderen internationalen Partnern ein großer Durchbruch auf diesem Gebiet gelungen. Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Optik.
Bisherige Studien zu diesem Thema stützen sich stark auf große Röntgenanlagen mit begrenztem Zugang wie Freie-Elektronen-Laser und Synchrotrons. Das Team demonstriert zum ersten Mal ein ultraschnelles Tischmikroskop mit weicher Röntgenstrahlung zur räumlich-zeitlichen Auflösung der Spindynamik in Seltenerdmaterialien, die für spintronische Geräte vielversprechend sind.
Diese neue Quelle für weiche Röntgenstrahlung, die auf einem hochenergetischen Ytterbium-Laser basiert, stellt einen entscheidenden Fortschritt für die Untersuchung zukünftiger energieeffizienter und schneller Spintronik-Geräte dar und könnte für viele Anwendungen in Physik, Chemie und Biologie eingesetzt werden.
„Unser Ansatz bietet eine robuste, kosteneffiziente und energieskalierbare elegante Lösung für viele Labore. Er ermöglicht die Untersuchung der ultraschnellen Dynamik in nanoskaligen und mesoskaligen Strukturen mit sowohl räumlicher als auch zeitlicher Auflösung im Nanometerbereich sowie mit der Elementspezifität.“ sagt Professor Andrius Baltuska von der TU Wien.
Helle Röntgenpulse, um die Drehung zu beobachten
Mit dieser hellen Quelle von Röntgenphotonen wurde eine Reihe von Schnappschüssen der magnetischen Strukturen der seltenen Erden im Nanomaßstab aufgenommen. Sie machen den schnellen Entmagnetisierungsprozess deutlich und die Ergebnisse liefern reichhaltige Informationen über die magnetischen Eigenschaften, die so genau sind wie diejenigen, die mit großen Röntgenanlagen erhalten werden.
„Die Entwicklung von ultraschnellen Tisch-Röntgenquellen ist spannend für hochmoderne technologische Anwendungen und moderne Wissenschaftsbereiche. Wir sind gespannt auf unsere Ergebnisse, die für die zukünftige Forschung in der Spintronik sowie in anderen potenziellen Bereichen hilfreich sein könnten“, sagt INRS Postdoktorand, Dr. Guangyu Fan.
„Seltenerdsysteme sind in der Community aufgrund ihrer Größe im Nanometerbereich, ihrer höheren Geschwindigkeit und ihrer topologisch geschützten Stabilität im Trend. Die Röntgenquelle ist sehr attraktiv für viele Studien zu zukünftigen spintronischen Geräten, die aus seltenen Erden bestehen“, sagt Nicolas Jaouen, leitender Wissenschaftler in der französischen nationalen Synchrotronanlage.
Professor Légaré betont die Zusammenarbeit zwischen Experten bei der Entwicklung modernster Lichtquellen und ultraschneller Dynamik in magnetischen Materialien im Nanomaßstab. „In Anbetracht des schnellen Aufkommens der Hochleistungs-Ytterbium-Lasertechnologie stellt diese Arbeit ein enormes Potenzial für leistungsstarke Quellen für weiche Röntgenstrahlung dar. Diese neue Generation von Lasern, die in Kürze an der Advanced Laser Light Source (ALLS) verfügbar sein wird, wird dies tun haben viele zukünftige Anwendungen für die Bereiche Physik, Chemie und sogar Biologie“, sagt er.
G. Fan et al, Ultraschnelle magnetische Streuung an Ferrimagneten, ermöglicht durch eine helle Yb-basierte weiche Röntgenquelle, Optik (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.443440
Bereitgestellt vom Institut national de la recherche scientifique – INRS