Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laserkicks für Atome

23.11.2010
Physikern gelingt es, den atomaren Spin im Takt von Billionstel Sekunden umzuschalten

Festplatten in unseren PCs speichern Daten, indem ein Schreib- und Lesekopf für jedes Bit einen kleinen Bereich auf ihnen magnetisiert. Beim Auslesen tastet der Magnetkopf die Magnetisierung ab. Ziel ist es, die magnetisierten Bereiche immer mehr zu verkleinern und die Schreib- und Auslesegeschwindigkeit zu erhöhen. Einer Forschergruppe unter maßgeblicher Beteiligung des Fritz-Haber-Instituts (FHI) der Max-Planck-Gesellschaft ist es jüngst gelungen, Atome in einem Festkörper eine Billion Mal pro Sekunde gezielt "umzuschalten." Als Schalter dient den Wissenschaftlern Licht, genauer gesagt eine Terahertz-Welle. Zwar liegt eine praktische Anwendung noch in weiter Ferne, doch für die Grundlagenforschung eröffnen sich damit neue Perspektiven (Nature Photonics, Advanced online publication, 21. Nov. 2010).


Ein schneller Schalter für atomare Kreisel: Die Atome des Nickeloxids (blaue Kugeln) lassen sich als winzige Stabmagneten betrachten, weil ihre Elektronen ein magnetisches Moment (blaue Pfeile) erzeugen. Physiker sagen: Die Atome besitzen einen Spin. In dem Experiment verkippt das Magnetfeld eines Terahertz-Impulses (rot) die Spinachse, so dass sie zu torkeln (präzedieren) beginnt. Bild: Fritz-Haber-Institut der MPG

Für ihr Experiment wählten Tobias Kampfrath vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin und seine Kollegen von den Universitäten Konstanz und Bonn einen Kristall aus Nickeloxid - einen Antiferromagneten. Die magnetischen Eigenschaften dieser Materialgattung verbergen sich in den Atomen des Kristallgitters. Man kann sich diese Atome wie winzige, schnell rotierende Kreisel vorstellen, in denen Elektronen den Kern umkreisen. Dabei erzeugen diese wie ein Elektromagnet ein Magnetfeld. Die Atome werden damit vereinfacht gesprochen zu winzigen Stabmagneten. Physiker sprechen vom Spin eines Atoms.

Antiferromagneten haben die Eigenschaft, dass benachbarte Atome entgegengesetzten Spin haben. Damit sind auch die Minimagnete abwechselnd gepolt, und ihre Felder heben sich gegenseitig auf: Ein Antiferromagnet ist nach außen hin unmagnetisch. In Ferromagneten wie Eisen sind alle Spins dagegen gleich ausgerichtet, weswegen ein solches Material ein äußeres Magnetfeld erzeugt.

Vom Antiferromagneten Nickeloxid wissen Physiker schon seit langem, dass die Spins anfangen, extrem schnell zu präzedieren, also schwingen, wenn man sie aus ihrer Gleichgewichtsrichtung auslenkt, nämlich eine Billion Mal pro Sekunde. Das bietet prinzipiell die Möglichkeit, die Rotations- oder Spinachsen mit hoher Frequenz zu verkippen. Doch dafür fehlte bislang der Schalter.

Den fanden Kampfrath und Kollegen nun in Form von Terahertz-Impulsen. Im Grunde handelt es sich dabei um langwellige Infrarotstrahlung mit Wellenlängen von einigen Zehntel Millimetern und Frequenzen bis zu einer Billion Hertz. Ein solcher Impuls ist - genauso wie Licht - nichts anderes als ein elektromagnetisches Feld, das mit dieser hohen Frequenz schwingt. Die Idee der Physiker war nun: Das magnetische Feld von solch einem Terahertz-Impuls könnte die atomaren Minimagnete auslenken. Die Achsen geraten in Schieflage, und die Atome taumeln oder präzedieren, ähnlich wie ein Brummkreisel, den man angeschubst hat.

"Bis dahin hatte man geglaubt, die Magnetfelder in der Terahertz-Strahlung wären zu schwach, um die Spins der fest im Kristallgitter sitzenden Atome nennenswert auszulenken", sagt Kampfrath. Doch die Forscher nutzten die neueste Lasertechnik zum Erzeugen intensiver Terahertz-Strahlung und bewiesen das Gegenteil. Sie schossen aus einer bestimmten Richtung einen Terahertz-Impuls auf den Kristall und registrierten sofort, dass die Atom-Spins verkippt wurden.

Ohne weiteren äußeren Einfluss kreiseln die Spins nach einiger Zeit wieder in ihre Ursprungslage zurück. Doch das konnten die Physiker verhindern. Da bekannt ist, dass der Kreisel für eine Umdrehung eine Billionstel Sekunde benötigt, stießen sie ihn mit einem zweiten Terahertz-Impuls exakt nach einer ganzen Zahl von Umdrehungen wieder an und konnten so die Präzession aufrecht erhalten. Wenn sie aber den zweiten Impuls nach einer halbzahligen Umdrehung losschickten (also etwa eineinhalb oder zweieinhalb Umdrehungen nach dem ersten Impuls), dann klappte der Spin sofort wieder zurück. Das ist etwa so, als würde man eine Schaukel genau im Takt oder im Gegentakt anstoßen.

"Auf diese Weise können wir den Spin der Atome ganz gezielt und kontrolliert innerhalb von Billionstel Sekunden hin- und herkippen lassen", sagt Alexander Sell von der Universität Konstanz: "Trotz der hohen Intensität der Terahertz-Pulse beeinflussen wir nur die Spins. Andere Freiheitsgrade des Festkörpers werden nicht angeregt."

Im Prinzip wäre auf diese Weise das Schreiben und Auslesen von Informationsbits möglich. Doch bevor an konkrete Anwendungen gedacht werden kann, müssen weitere Experimente folgen. "Uns fasziniert das erst einmal als reine Grundlagenforschung", sagt Kampfrath. Denn mit der neuen Technik öffnet sich den Forschern ein weites Feld, um das Verhalten von Festkörpern auf so extrem kurzer Zeitskala zu studieren.

Denkbar erscheint es zum Beispiel, dass sie damit etwas über die Funktionsweise von Hochtemperatur-Supraleitern lernen können, die ebenfalls antiferromagnetisch sind. Diese Materialien sind zwar seit mehr als zwanzig Jahren bekannt und werden in einigen Bereichen auch eingesetzt. Doch warum sie unterhalb einer bestimmten Temperatur verlustfrei Strom leiten, ist noch weitgehend im Dunkeln.

Originalveröffentlichung:

Tobias Kampfrath, Alexander Sell, Gregor Klatt, Alexej Pashkin, Sebastian Mährlein, Thomas Dekorsy, Martin Wolf, Manfred Fiebig, Alfred Leitenstorfer, Rupert Huber
Coherent terahertz control of antiferromagnetic spin waves
Nature Photonics, Advanced online publication, 21. November 2010(DOI:10.1038/NPHOTON.2010.259)

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Tobias Kampfrath
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Tel.: +49 30 8385-3588
E-Mail: kampfrath@fhi-berlin.mpg.de
Rupert Huber
Fachbereich Physik, Universitäten von Konstanz und Regensburg
Tel.: +49 941 9432070
E-Mail: rupert.huber@physik.uni-regensburg.de

Barbara Abrell | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Maschinelles Lernen im Quantenlabor
19.01.2018 | Universität Innsbruck

nachricht Seltsames Verhalten eines Sterns offenbart Schwarzes Loch, das sich in riesigem Sternhaufen verbirgt
17.01.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie