Ursache der ultraschnellen Manipulation von Domänenwänden entdeckt

Ein internationales Forscherteam hat mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH einen Effekt nachgewiesen, der in ferromagnetischen Materialien zu einer schnellen Magnetisierungsänderung führen kann. Dieser Effekt könnte ein Schlüssel zur weiteren Miniaturisierung und Beschleunigung von magnetischen Speichern sein.

Aus Mainz waren Forscher der Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui vom Institut für Phsyik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) beteiligt, darunter maßgeblich Felix Büttner, ein Stipendiat der Graduiertenschule der Exzellenz „Materials Science in Mainz“ (MAINZ). Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe des Magazins „Nature Communications“ veröffentlicht worden.

Bereits bekannt war, dass sich durch Lichtpulse die Magnetisierung eines Materials lokal ändern lässt. Bisher war diese Änderung ortsaufgelöst aber nicht sichtbar, da die konventionellen optischen Methoden keine ausreichend hohe Ortsauflösung erlauben. Weil aber die meisten ferromagnetischen Materialien aus vielen einzelnen, magnetisch unterschiedlich ausgerichteten „Domänen“ bestehen, ist gerade die Ursache der Änderung dieser kleinen Domänen und der Grenzflächen zwischen den Domänen (der sogenannten Domänenwände) interessant.

Mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY Forschungszentrum in Hamburg konnten nun Ergebnisse erzielt werden, die im Einklang mit einem theoretisch vorhergesagten Effekt stehen: Durch den Laser-Beschuss werden hochangeregte Elektronen erzeugt, die sich so schnell durch das Material bewegen, dass sie auch von einer Domäne in eine andersherum magnetisierte Domäne gelangen. Dabei tragen diese Elektronen einen Teil der Magnetisierung durch das Material und können so die lokale Magnetisierung ändern.

Da Domänenwände auch in neuen Speichern wie dem „Racetrack“ verwendet werden, sind die Forschungsergebnisse ein Schritt zu einer möglichen Erhöhung der Speichergeschwindigkeit. Der Racetrack-Speicher ist eine Entwicklung von IBM. Er könnte einmal als schnellere und energiesparendere Alternative zu herkömmlichen Arbeitsspeichern oder Festplatten in Computern dienen.

Die Experimente führten die Forscher der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) mit Kollegen der TU Berlin, der Universitäten Hamburg und Paris sowie sechs weiteren Forschungseinrichtungen am Freie-Elektronen-Laser FLASH am DESY-Zentrum in Hamburg durch. Sie untersuchten Proben aus einem Kobalt-Platin-Schichtsystem, dessen nanometerfeine magnetische Domänen labyrinthartige Strukturen bilden (siehe Abbildung).