Wissenschaftler entdecken ungewöhnliche ultraschnelle Bewegung in geschichteten magnetischen Materialien

Eine gewöhnliche Büroklammer aus Metall haftet an einem Magneten. Wissenschaftler klassifizieren solche eisenhaltigen Materialien als Ferromagnete. Vor etwas mehr als einem Jahrhundert berichteten die Physiker Albert Einstein und Wander de Haas über einen überraschenden Effekt mit einem Ferromagneten. Wenn Sie einen Eisenzylinder an einem Draht aufhängen und ihn einem Magnetfeld aussetzen, beginnt er sich zu drehen, wenn Sie einfach die Richtung des Magnetfelds umkehren.

„Das Experiment von Einstein und de Haas gleicht fast einer Zaubershow“, sagte Haidan Wen, Physiker in den Abteilungen Materialwissenschaften und Röntgenwissenschaften des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE). „Man kann einen Zylinder in Rotation versetzen, ohne ihn jemals zu berühren.“

In NaturNun berichtet ein Team von Forschern aus Argonne und anderen nationalen US-Laboren und Universitäten über einen analogen, aber unterschiedlichen Effekt bei einem „Anti“-Ferromagneten. Dies könnte wichtige Anwendungen in Geräten haben, die eine ultrapräzise und ultraschnelle Bewegungssteuerung erfordern. Ein Beispiel sind Hochgeschwindigkeits-Nanomotoren für biomedizinische Anwendungen, etwa für den Einsatz in Nanorobotern für minimalinvasive Diagnose und Chirurgie.

Der Unterschied zwischen einem Ferromagneten und einem Antiferromagneten hängt mit einer Eigenschaft namens Elektronenspin zusammen. Dieser Spin hat eine Richtung. Wissenschaftler stellen die Richtung mit einem Pfeil dar, der nach oben oder unten oder in jede beliebige Richtung dazwischen zeigen kann. In dem oben erwähnten magnetisierten Ferromagneten können die Pfeile, die allen Elektronen in den Eisenatomen zugeordnet sind, in die gleiche Richtung zeigen, beispielsweise nach oben. Durch Umkehr des Magnetfeldes wird die Richtung der Elektronenspins umgekehrt. Alle Pfeile zeigen also nach unten. Diese Umkehr führt zur Drehung des Zylinders.

„In diesem Experiment wird eine mikroskopische Eigenschaft, der Elektronenspin, ausgenutzt, um eine mechanische Reaktion in einem Zylinder, einem makroskopischen Objekt, hervorzurufen“, sagte Alfred Zong, Miller Research Fellow an der University of California, Berkeley.

Bei Antiferromagneten zeigen die Elektronenspins beispielsweise nicht alle nach oben, sondern abwechselnd von oben nach unten zwischen benachbarten Elektronen. Diese entgegengesetzten Spins heben sich gegenseitig auf und Antiferromagnete reagieren daher nicht wie Ferromagnete auf Änderungen in einem Magnetfeld.

„Die Frage, die wir uns gestellt haben, ist: Kann der Elektronenspin in einem Antiferromagneten eine Reaktion hervorrufen, die sich von der Zylinderrotation im Einstein-de-Hass-Experiment unterscheidet, aber im Geiste dieser ähnelt?“ sagte Wen.

Um diese Frage zu beantworten, präparierte das Team eine Probe von Eisenphosphortrisulfid (FePS3), einem Antiferromagneten. Die Probe bestand aus mehreren Schichten FePS3, wobei jede Schicht nur wenige Atome dick war.

„Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Magneten ist FePS3 etwas Besonderes, weil es in einer Schichtstruktur gebildet wird, in der die Wechselwirkung zwischen den Schichten extrem schwach ist“, sagte Xiaodong Xu, Professor für Physik und Materialwissenschaften an der University of Washington.

„Wir haben eine Reihe bestätigender Experimente entworfen, in denen wir ultraschnelle Laserpulse auf dieses Schichtmaterial geschossen und die daraus resultierenden Änderungen der Materialeigenschaften mit optischen, Röntgen- und Elektronenpulsen gemessen haben“, fügte Wen hinzu.

Das Team fand heraus, dass die Impulse die magnetischen Eigenschaften des Materials verändern, indem sie die geordnete Ausrichtung der Elektronenspins durcheinander bringen. Die Pfeile für den Elektronenspin wechseln nicht mehr geordnet zwischen oben und unten, sondern sind ungeordnet.

„Dieses Durcheinander im Elektronenspin führt zu einer mechanischen Reaktion in der gesamten Probe. Da die Wechselwirkung zwischen den Schichten schwach ist, kann eine Schicht der Probe relativ zu einer benachbarten Schicht hin und her gleiten“, erklärte Nuh Gedik, Professor für Physik am Massachusetts Institute of Technology (MIT).

Diese Bewegung ist ultraschnell, 10 bis 100 Pikosekunden pro Schwingung. Eine Pikosekunde entspricht einem Billionstel einer Sekunde. Das ist so schnell, dass Licht in einer Pikosekunde nur einen Drittel Millimeter zurücklegt.

Messungen an Proben mit räumlicher Auflösung auf atomarer Skala und zeitlicher Auflösung in Pikosekunden erfordern wissenschaftliche Einrichtungen von Weltrang. Zu diesem Zweck setzte das Team auf hochmoderne ultraschnelle Sonden, die Elektronen- und Röntgenstrahlen zur Analyse atomarer Strukturen nutzen.

Motiviert durch optische Messungen an der University of Washington, nutzten die ersten Studien die Mega-Elektronenvolt-Anlage zur ultraschnellen Elektronenbeugung am SLAC National Accelerator Laboratory. Weitere Studien wurden an einem ultraschnellen Elektronenbeugungsaufbau am MIT durchgeführt. Ergänzt wurden diese Ergebnisse durch Arbeiten an der Anlage für ultraschnelle Elektronenmikroskope im Center for Nanoscale Materials (CNM) und den 11-BM- und 7-ID-Beamlines an der Advanced Photon Source (APS). Sowohl CNM als auch APS sind Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science in Argonne.

Der Elektronenspin in einem schichtförmigen Antiferromagneten wirkt auch länger als Pikosekunden. In einem (n frühere Studie Mithilfe von APS- und CNM-Einrichtungen beobachteten Mitglieder des Teams, dass sich die schwankenden Bewegungen der Schichten in der Nähe des Übergangs von ungeordnetem zu geordnetem Verhalten der Elektronenspins dramatisch verlangsamten.

„Die entscheidende Entdeckung unserer aktuellen Forschung war die Entdeckung eines Zusammenhangs zwischen Elektronenspin und Atombewegung, der speziell für die Schichtstruktur dieses Antiferromagneten gilt“, sagte Zong. „Und weil sich diese Verbindung in so kurzer Zeit und auf winzigen Längenskalen manifestiert, gehen wir davon aus, dass die Fähigkeit, diese Bewegung durch Änderung des Magnetfelds oder alternativ durch Anwendung einer winzigen Spannung zu steuern, wichtige Auswirkungen auf nanoskalige Geräte haben wird.“