Ultraschnelle Magnetisierungsdynamik erfassen: neues Verfahren

Prof. Dr. Dmitry Turchinovich (links) und sein Doktorand Wentao Zhang haben sich mit der Messung ultraschneller Terahertz-Strahlung befasst.

Foto: Universität Bielefeld/M.-D. Müller

Internationale Forschungsgruppe um Bielefelder Physiker veröffentlicht Studie.

Computerspeicher werden immer schneller – und viele arbeiten mit Magnetismus. Daten werden gespeichert, indem die Ausrichtung von sogenannten Magnetdomänen verändert wird. Dabei entsteht eine elektromagnetische Strahlung, die Rückschlüsse darauf zulässt, wie sich der Magnetzustand verändert hat. Wenn Daten in einem Magnetspeicher ultraschnell in Billionstel von Sekunden geändert werden, sind herkömmliche Messmethoden allerdings zu langsam – denn dabei entsteht Strahlung, die im Terahertz-Bereich liegt.

Eine internationale Forschungsgruppe um den Physiker Professor Dr. Dmitry Turchinovich von der Universität Bielefeld hat nun ein Verfahren entwickelt, das solche Strahlung nutzt, um eine ultraschnelle Änderung des magnetischen Zustands in einem Material präzise nachzuverfolgen. Dies könnte in Zukunft dazu beitragen, Computerspeicher schneller zu machen und auch verschiedene Nanomaterialien besser erforschen zu können. Die Studie erscheint heute (25.08.2020) im Forschungsjournal Nature Communications.

Zu dem Forschungsteam gehören Physiker der Universitäten Bielefeld, Uppsala und Straßburg, der University of Shanghai for Science and Technology, dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, der ETH Zürich und der Freien Universität Berlin.

„Die elektromagnetischen Wellen sind so etwas wie ein Fingerabdruck der Magnetisierungsdynamik“, sagt Professor Dr. Dmitry Turchinovich von der Fakultät für Physik, der die Studie geleitet hat. In der Strahlung sind sämtliche Informationen über die Veränderung des magnetischen Zustands enthalten. Um das zu nutzen, ist es allerdings nötig, sie empfindlich genug erfassen und korrekt analysieren zu können.

Bislang war es schwierig, solche Veränderungen insbesondere exakt zu messen. Die bisherigen Methoden sind fehleranfällig und aufwändig – manche funktionieren zum Beispiel nur im Ultrahochvakuum, außerdem wird die schwache Terahertz-Strahlung leicht von Störfaktoren aus der Umgebung überdeckt. „Die Herausforderung für uns war es also, eine Methode zu entwickeln, die die Veränderung der Magnetisierung schnell und zuverlässig erfasst“, sagt Turchinovich, Leiter der Arbeitsgruppe Terahertz-Physik an der Universität Bielefeld. Wentao Zhang, ein Doktorand aus der Arbeitsgruppe und Erstautor der Veröffentlichung, sagt: „Es hat ein wenig gedauert, aber es ist uns schließlich gelungen, diese Strahlung präzise zu isolieren und messen zu können. Damit konnten wir die ultraschnelle Dynamik der Magnetisierung in unseren Proben zuverlässig rekonstruieren.“

Forschende konnten mehr messen als zunächst erwartet

In ihren Versuchen sendeten die Forscher Laserlichtimpulse auf Eisennanofilme, die dadurch sehr schnell entmagnetisierten. Zeitgleich erfassten sie die Terahertz-Strahlung, die bei dieser Entmagnetisierung entstand. „Als unsere Analyse abgeschlossen war, stellten wir fest, dass wir tatsächlich weit mehr gesehen haben, als wir erwartet hatten“, sagt Turchinovich. „Es ist bereits seit einiger Zeit bekannt, dass Eisen bei Beleuchtung mit Laserlicht sehr schnell entmagnetisieren kann. Was wir aber zudem erfassten, war ein relativ kleines, aber sehr deutliches zusätzliches Signal, das uns fasziniert und sehr interessiert hat.“

Dieses Signal schien von einer Entmagnetisierung im Eisen zu stammen, die von einem sehr schnellen Schallimpuls verursacht wurde. Wie aber entstand dieser Schall? Dieser Frage gingen die Wissenschaftler nach. Während der Eisenfilm das Laserlicht absorbierte, entmagnetisierte das Material nicht nur, sondern es wurde auch heiß. „Wie wir wissen, dehnen sich die meisten Materialien aus, wenn sie heiß werden – und diese Ausdehnung des Eisennanofilms löste einen Schallimpuls aus“, sagt Turchinovich. „Dieser Schallimpuls prallte daraufhin zwischen den inneren und äußeren Probengrenzen hin und her wie das Echo zwischen den Wänden einer großen Halle. Und jedes Mal, wenn dieses Echo durch den Eisennanofilm drang, bewegte der Schalldruck die Eisenatome ein wenig, was den Magnetismus im Material weiter schwächte.“

Die Methode wird nun weiter verfeinert

Dieser Effekt wurde auf einer so ultraschnellen Zeitskala bisher noch nie beobachtet. „Wir freuen uns, dass wir dieses akustisch angetriebene ultraschnelle Magnetisierungssignal so deutlich sehen konnten und dass es so stark war“, sagt Turchinovich. „Wir werden jetzt natürlich weiter daran forschen.“

Unklar ist bislang, ob es vielleicht sogar möglich ist, den Vorgang so ändern um beispielsweise Schall direkt zu nutzen, um magnetische Speichersystemen zu steuern. Das könnte das Problem lösen, dass bei der herkömmlichen Speicherung durch Laserlicht viel Wärme entsteht. Damit könnte der Speichervorgang beschleunigt und Energie gespart werden. „Das liegt aber alles noch weit in der Zukunft“, sagt Turchinovich. „Ich gehe davon aus, dass die Methode eine große Relevanz erreichen wird, wenn sie erst einmal ausgereift ist. Sie wird uns auch dabei helfen können, verschiedene Nanomaterialien, und besonderes Magnetsysteme noch besser zu verstehen. Zunächst einmal müssen wir aber die Grundlagen erforschen.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Dmitry Turchinovich, Universität Bielefeld
Fakultät für Physik
Telefon: 0521 106-5468
E-Mail: dmtu@physik.uni-bielefeld.de

Originalpublikation:

Wentao Zhang, Pablo Maldonado, Zuanming Jin, Tom S. Seifert, Jacek Arabski, Guy Schmerber, Eric Beaurepaire, Mischa Bonn, Tobias Kampfrath, Peter M. Oppeneer and Dmitry Turchinovich: Ultrafast terahertz magnetometry. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-020-17935-6, veröffentlicht am 25. August 2020.

Weitere Informationen:

https://www2.physik.uni-bielefeld.de/ultrafast-home.html Forschungsprojekt der Universität Bielefeld
https://www2.physik.uni-bielefeld.de/4557.html Arbeitsgruppe Terahertz-Physik

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