Es funktioniert: Ultraschnelle magnetische Vorgänge mit Röntgenlaser „live“ beobachtet

Die Strukturänderung wurde durch einen Laserblitz angestossen und mit Hilfe kurzer Röntgenpulse untersucht. So zeigte es sich, dass sich die Struktur erst 400 Femtosekunden nach dem Laserblitz zu verändern begann. Für die Forscher des PSI ist dies ein wichtiger Meilenstein. Denn solche Untersuchungen sollen auch einen Forschungsschwerpunkt am geplanten Schweizer Röntgenlaser SwissFEL des Paul Scherrer Instituts darstellen.

Materialien mit besonderen magnetischen Eigenschaften sind Grundlage vieler aktueller Technologien, insbesondere der Datenspeicherung auf Festplatten und anderen Medien. Dabei macht man sich meist die magnetische Ordnung in den Materialien zu nutze: die Atome im Material verhalten sich zum Teil wie winzige Stabmagnete („Spins“). Diese Mini-Magnete können in verschiedener Weise ausgerichtet sein.

In ihrer Ausrichtung kann dann Information gespeichert werden. Für eine effiziente Datenspeicherung ist es entscheidend, alte Daten schnell durch neue überschreiben zu können. Das ist möglich wenn sich die magnetische Ordnung in einem Material in kürzester Zeit ändern lässt. Um neuartige Materialien zu entwickeln, die ein noch schnelleres Speichern ermöglichen, ist es deshalb wichtig, den zeitlichen Ablauf dieser Änderung genau zu verstehen.

Magnetische Ordnung in Bewegung

Einem Team, das von Forschern des Paul Scherrer Instituts geleitet wurde, ist es nun in Experimenten am Röntgenlaser LCLS im kalifornischen Stanford gelungen, diesen Vorgang für die magnetische Ordnung in Kupferoxid CuO zu untersuchen. Dieses Material weist je nach Temperatur völlig verschiedene magnetische Ordnungen auf: unter Minus 60 Grad Celsius weisen die Spins, die an den Kupfer-Atomen (Cu) als Magnete wirken, abwechselnd in die eine oder die entgegengesetzte Richtung; zwischen Minus 60 und Minus 43 Grad Celsius sind sie spiralförmig angeordnet als würden sie ein Wendeltreppe bilden. Wie die beiden Ordnungen aussehen, weiss man schon länger – wie lange der Übergang von der einen zur anderen Anordnung dauert, zeigte aber erst das Experiment der PSI-Forscher.

„In unserem Versuch haben wir mit einer „kalten“ Probe angefangen und diese mit einem intensiven Lichtblitz aus einem optischen Laser aufgeheizt,“ erklärt Steven Johnson, Sprecher des PSI-Experiments „Kurz danach bestimmten wir die Struktur der Probe, indem wir sie mit einem extrem kurzen Puls aus dem Röntgenlaser durchleuchteten. Indem wir dies für verschieden Zeitabstände zwischen Lichtblitz und Röntgenpuls wiederholten, konnten wir den Ablauf der Veränderungen der magnetischen Struktur rekonstruieren.“

Mini-Magnete brauchen 400 Femtosekunden, um sich zu verständigen

Das Ergebnis zeigt, dass es etwa 400 Femtosekunden dauert bis die Struktur anfängt, sich sichtbar zu verändern. Danach nähert sich die Struktur allmählich ihrem neuen Endzustand an. Das geschieht umso schneller je intensiver der zur Anregung benutzte Lichtpuls war. „An der magnetischen Struktur sind die Spins aller Kupferatome beteiligt. So müssen sich die Atome an den verschiedenen Enden des Materials koordinieren bevor sich die Struktur verändern kann. Dafür brauchen sie 400 Femtosekunden“, erklärt Urs Staub, einer der verantwortlichen PSI-Forscher. „Für das Kupferoxid ist das die fundamentale Grenze, schneller geht es einfach nicht. Das hängt damit zusammen, wie stark die Spins an benachbarten Atomen miteinander gekoppelt sind.“
Dass sich die Forschenden gerade für Kupferoxid interessieren, hat gute Gründe. Bei der schraubenförmigen magnetischen Ordnung, die zwischen Minus 60 und Minus 43 Grad Celsius auftritt, ist das Material auch „multiferroisch“, d.h. elektrische und magnetische Prozesse beeinflussen sich hier gegenseitig. Solche Materialien haben viele denkbare Anwendungen in Bereichen, in denen Magnetismus und Elektronik wechselwirken.

Wichtiger Schritt für SwissFEL
Die LCLS ist 2009 als weltweit erster Freie-Elektronen-Röntgenlaser in Betrieb gegangen, und die PSI-Forschenden waren unter den ersten, die dort experimentieren konnten. Die extrem kurzen Pulse von nur wenigen Femtosekunden Dauer, machen es möglich, in Materialien den Ablauf sehr schneller Veränderungen zu verfolgen, von denen bislang nur Anfangs- und Endzustand bekannt waren. Das Experiment am Kupferoxid zeigt, dass Röntgenlaser bei Untersuchungen an magnetischen Materialien diese Erwartungen tatsächlich erfüllen können. Solche Untersuchungen werden auch einer der Schwerpunkte am SwissFEL, dem geplanten Röntgenlaser des Paul Scherrer Instituts, sein. Dieser wird im Jahr 2016 in der Nähe des gegenwärtigen PSI-Geländes in Betrieb gehen.

Text: Paul Piwnicki

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, Mensch und Gesundheit, sowie Energie und Umwelt. Mit 1400 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von rund 300 Mio. CHF ist es das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Kontakt:
Dr. Urs Staub, Labor für Kondensierte Materie, Forschungsbereich Synchrotronstrahlung und Nanotechnologie, Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Schweiz

Tel: +41(0)56 310 4494, E-Mail: urs.staub@psi.ch

Prof. Dr. Steven Johnson (hat die dargestellten Arbeiten noch als Wissenschaftler am Paul Scherrer Institut durchgeführt)

ETH Zürich, Institut für Quantenelektronik, HPT D 15, Wolfgang-Pauli-Strasse 16, 8093 Zürich; Tel: +41(0)44 633 76 31, E-Mail: johnson@phys.ethz.ch

Originalveröffentlichung:
Femtosecond Dynamics of the Collinear-to-Spiral Antiferromagnetic Phase Transition in CuO
S. L. Johnson, R. A. de Souza, U. Staub et al.
Phys. Rev. Lett. 108, 037203 (2012)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.037203;
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.037203