Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Magnetisieren braucht mehr Zeit als Entmagnetisieren

01.03.2012
Forscher am Paul Scherrer Institut finden heraus, wie lange der Aufbau von Magnetismus in einem Metall dauert und wie der Vorgang abläuft

Wenn die Metalllegierung Eisen-Rhodium magnetisiert wird, dauert dieser Prozess deutlich länger als der gegenläufige Vorgang der Entmagnetisierung. Diese Erkenntnis haben Forscher des Paul Scherrer Instituts PSI in Villigen (AG/Schweiz) zusammen mit einem internationalen Forscherteam gewonnen.

Der Aufbau des Magnetismus erfolgt in zwei Schritten: Zunächst bilden sich kleine magnetische Regionen, jedoch zeigt das Magnetfeld in zufällige Richtung. Dann erst drehen sich diese Bereiche in eine gemeinsame Richtung.

Die entsprechende Studie ist dieser Tage in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ erschienen. Die Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung sind relevant für die Computerindustrie: Sie zeigen, welche Prozesse die Eigenschaften magnetischer Datenspeicherung begrenzen und wo es Potential für Verbesserung gibt.

Magnetismus ist eines der Phänomene, bei denen der Mensch Naturkräfte unmittelbar erfährt. Kinder kuppeln die Waggons der Brio-Eisenbahn durch Magnete, Erwachsene pinnen Notizen mit Magneten an den Kühlschrank, und in Elektroautos setzen Magnete Strom in Bewegung um. Physiker sind von der Kraft der Magnete seit deren Entdeckung in der Antike fasziniert und wollen sie verstehen. Vor rund 20 Jahren haben sie herausgefunden, wie lange es dauert, ein Material vom magnetischen in den nichtmagnetischen Zustand zu überführen. Forscher des PSI haben nun zusammen mit Kollegen aus Deutschland und den USA den gegenteiligen Prozess untersucht, also das „Anschalten“ des Magnetismus. Sie konnten dabei zeigen, dass es etwa 0,3 Milliardstelsekunden dauert, bis die Metalllegierung Eisen-Rhodium magnetisiert ist. Für die Forscher ist das eine vergleichsweise lange Zeit. Denn das „Anschalten“ von Magnetismus dauert 300 Mal länger als das „Ausschalten“, wie sie mit ihren Experimenten nachweisen können. „Es ist wie beim Hausbau: Es nimmt mehr Zeit in Anspruch, ein Haus zu bauen als es abzureissen“, sagt PSI-Forscher Dr. Christoph Quitmann, der das Experiment vor fünf Jahren angeregt hat und seither leitet.

Magnetisierung in zwei Schritten

Die Forscher hat nicht nur interessiert, wie schnell Eisen-Rhodium vom nichtmagnetischen in den magnetischen Zustand übergeht, sondern auch, wie sich dabei der Magnetismus im Material aufbaut. Jedes Eisenatom hat einen sogenannten Spin, es benimmt sich wie eine winzige Kompassnadel. Ein Material ist magnetisch, wenn all diese Spins in die gleiche Richtung zeigen. Dann summiert sich ihre magnetische Kraft und wird messbar. Das „Anschalten“ des Magnetismus ist mithin der Vorgang, die Spins (oder atomaren Kompassnadeln), die im unmagnetisierten Zustand unterschiedliche Orientierungen haben, in dieselbe Richtung zu bringen. Die PSI-Forscher konnten zeigen, dass der Magnetisierungsvorgang nicht gleichmässig abläuft, etwa von einer Seite der Materialprobe zur anderen oder vom Zentrum zum Rand, sondern in zwei Phasen. Der Magnetismus entsteht gleichzeitig, aber unabhängig in vielen kleinen Regionen des Materials, den sogenannten Domänen (Phase 1). Später (Phase 2) drehen sich die Domänen in eine gemeinsame Richtung. In Phase 1 – der sogenannten Nukleation – zeigen die Spins jeder Domäne in eine zufällige Richtung, der Magnetismus von zwei unterschiedlich ausgerichteten Domänen kann sich deshalb aufheben. In Phase 2 – der sogenannten Reorientierung – werden die Spins der Domänen in eine einzige gemeinsame Richtung gedreht. So wird die magnetische Kraft nach aussen wirksam. Die Nukleation läuft vergleichsweise rasch ab, die nachfolgende Reorientierung nimmt länger in Anspruch und bestimmt damit die Gesamtdauer des Magnetisierungsvorgangs.

Beobachtung mit Röntgen- und Laserstrahlen

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forscher am PSI die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Die SLS ist im Prinzip ein sehr leistungsstarkes Mikroskop, das Materialuntersuchungen in kleinsten Dimensionen erlaubt. Zur Untersuchung des Magnetismus beleuchten die Forscher die Materialprobe mit einem kurzen Puls eines Röntgenstrahls. Dieser wird beim Auftreffen auf die Atome abgelenkt („gebeugt“). Aus dem Grad der Ablenkung errechnen die Forscher den Abstand der Atome. Jetzt wird die Materialprobe durch einen Laserpuls erhitzt und dadurch magnetisch. (Eisen-Rhodium wird bei 120°C magnetisch). Nach einer kurzen Zeitverzögerung misst ein weiterer Röntgenpuls wiederum den Abstand der Atome. Dieser ist im magnetischen Zustand grösser. Mit dieser Versuchsanordnung können die Forscher beobachten, wie schnell sich der Abstand zwischen den Atomen vergrössert – und damit unmittelbar nachvollziehen, wieviel Zeit der Aufbau des Magnetismus in Anspruch nimmt.

International vernetzt

Zu den Erkenntnissen rund um das „Anschalten“ von Magnetismus haben die drei PSI-Forscher Christoph Quitmann, Simon Mariager und Gerhard Ingold beigetragen, dazu weitere Forscher aus Deutschland und den USA. Christian Back und sein Team von der Universität Regensburg stellten mit Messungen auf der Grundlage des elektrooptischen Kerr-Effekts fest, wie lange es braucht, bis über die ganze Probe hinweg der gleiche Magnetismus herrscht. Eric Fullerton und seine Kollegen vom der University of California in San Diego haben die Eisen-Rhodium-Proben hergestellt. Die Probe für die Experimente besteht aus einer nur gerade 500 Atome dicken Schicht aus Eisen und Rhodium. Damit die Atome der beiden Metalle regelmässig nebeneinander zu liegen kamen, wurden sie schichtenweise auf einen kristallinen Träger aufgedampft.

Leistungsfähige Datenspeicher

Die Forschungspartnerschaft mit Kalifornien zeigt die Richtung an, in der die Grundlagenforschung des PSI in Zukunft industriell nutzbar werden könnte. Die University of California in San Diego entwickelt nämlich mit Industriepartnern neue Computer-Festplatten. Wo immer Computerdaten heute langzeitgespeichert werden, geschieht dies magnetisch. Um die Speicherkapazität auszureizen, sind Materialien gefragt, bei denen die Magnetisierung möglichst schnell vonstatten geht. Eisen-Rhodium, mit dem die PSI-Forscher bisher arbeiten, ist in Diskussion für die nächste Generation von Computer-Festplatten. „Wir untersuchen, welches die physikalisch beschränkenden Prozesse sind, wenn es um die weitere Miniaturisierung von Datenspeichern oder die Erhöhung von deren Geschwindigkeit geht“, sagt PSI-Forscher Quitmann. Er und seine Kollegen werden in Zukunft weitere Materialien auf ihre Magnetisierungseigenschaften hin untersuchen. Für die Forschungsarbeit werden sie ab 2016 neben der SLS auch den Röntgenlaser SwissFEL benutzen, die neue, noch leistungsfähigere Grossforschungsanlage am PSI, die zurzeit in Bau ist.

Über das PSI
Das Paul Scherrer Institut entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Elementarteilchenphysik, Biologie und Medizin, Energie- und Umweltforschung. Mit 1400 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.
Kontakt / Ansprechpartner
Dr. Christoph Quitmann
Labor für Kondensierte Materie, Forschungsbereich Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz

Tel: +41 56 310 4560; E-Mail: christoph.quitmann@psi.ch

Originalveröffentlichung
Structural and Magnetic Dynamics of a Laser Induced Phase Transition in FeRh
S. O. Mariager, F. Pressacco, G. Ingold, A. Caviezel, E. Möhr-Vorobeva, P. Beaud, S. L. Johnson, C. J. Milne, E. Mancini, S. Moyerman, E. E. Fullerton, R. Feidenhans’l, C. H. Back, and C. Quitmann;

Phys. Rev. Lett. 108, 087201 (2012), DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.087201 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.087201

Dagmar Baroke | idw
Weitere Informationen:
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.087201
http://psi.ch/E8d2

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit
26.06.2017 | Universität Bremen

nachricht NAWI Graz-Forschende vermessen Lichtfelder erstmals in 3D
26.06.2017 | Technische Universität Graz

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: Hyperspektrale Bildgebung zur 100%-Inspektion von Oberflächen und Schichten

„Mehr sehen, als das Auge erlaubt“, das ist ein Anspruch, dem die Hyperspektrale Bildgebung (HSI) gerecht wird. Die neue Kameratechnologie ermöglicht, Licht nicht nur ortsaufgelöst, sondern simultan auch spektral aufgelöst aufzuzeichnen. Das bedeutet, dass zur Informationsgewinnung nicht nur herkömmlich drei spektrale Bänder (RGB), sondern bis zu eintausend genutzt werden.

Das Fraunhofer IWS Dresden entwickelt eine integrierte HSI-Lösung, die das Potenzial der HSI-Technologie in zuverlässige Hard- und Software überführt und für...

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Future Security Conference 2017 in Nürnberg - Call for Papers bis 31. Juli

26.06.2017 | Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

„Digital Mobility“– 48 Mio. Euro für die Entwicklung des digitalen Fahrzeuges

26.06.2017 | Förderungen Preise

Fahrerlose Transportfahrzeuge reagieren bald automatisch auf Störungen

26.06.2017 | Verkehr Logistik

Forscher sorgen mit ungewöhnlicher Studie über Edelgase international für Aufmerksamkeit

26.06.2017 | Physik Astronomie