Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lichtinduzierte Rotationen von Atomen rufen Magnetwellen hervor

24.10.2016

Terahertz-Anregung ausgewählter Kristallschwingungen führt zu einem effektiven Magnetfeld, das kohärente Spindynamik antreibt

Die Kontrolle funktionaler Eigenschaften durch Licht ist eines der großen Ziele moderner Festkörperphysik und der Materialwissenschaften. Eine neue Studie zeigt, wie die ultraschnelle, lichtinduzierte Modulation atomarer Positionen in einem Material zur Kontrolle seiner Magnetisierung verwendet werden kann.


Lichtinduzierte Rotationen der Atome (Spiralen) erzeugen kohärente Bewegungen der Elektronenspins (blaue Pfeile).

Bild: J.M. Harms/MPI für Struktur und Dynamik der Materie

Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Andrea Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL in Hamburg verwendete Terahertz-Lichtpulse, um in einem magnetischen Kristall paarweise Gitterschwingungen anzuregen. Diese kurzen Lichtpulse erzeugten eine Rotation der Gitterionen um ihre Ursprungspositionen, welche wie ein ultraschnelles, effektives Magnetfeld auf die Elektronenspins wirkte und somit eine magnetische Welle auf kohärente Weise stimulierte.

Diese Erkenntnisse setzen ein wichtiges Zeichen für die Art und Weise der Wechselwirkung von Licht mit Materie und begründen einen neuartigen Ansatz in der Kontrolle von Magnetismus mit Terahertz-Geschwindigkeit. Sie könnten daher für Magnetspeichertechnologien relevant sein. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Nature Physics vorgestellt.

Ultraschnelle Materialkontrolle durch Schwingungen

Mikroskopische Wechselwirkungen zu verstehen und kollektive Anregungen zu steuern, um Materialfunktionen maßzuschneidern, ist eine treibende Kraft in der Physik der kondensierten Materie und den Materialwissenschaften, sowohl für grundlegende Fragen als auch aus technologischer Perspektive. Chemische Substitution, d.h. der Austausch bestimmter Atome des Kristallgitters durch Atome eines anderen chemischen Elements, oder die Anwendung äußerer Störfaktoren, wie z.B. Druck oder Magnetfelder, gehören zu den konventionellen, statischen Ansätzen zur Veränderung und Beeinflussung von Materialeigenschaften.

Ein konzeptionell anderer Ansatz besteht in der ultraschnellen, dynamischen Modulation von Materialparametern. In diesem Fall hat sich die direkte Anregung von Schwingungen des Kristallgitters in Festkörpersystemen (kollektive Anregungen der Ionen, die man Phononen nennt) durch ultrakurze und ultraintensive Terahertz-Lichtpulse als extrem effiziente Strategie für die Materialkontrolle erwiesen. Die Hamburger Gruppe spielt eine Vorreiterrolle in der Entwicklung dieser als Nichtlineare Phononik bezeichneten Methode. Zu den jüngsten erfolgreichen Beispielen gehören die Kontrolle von Isolator–Metall-Übergängen, das Schmelzen magnetischer Ordnung und die Verstärkung von Supraleitung.

Der Ursprung dieses leistungsfähigen Werkzeugs liegt in der nichtlinearen Natur des Kristallgitters begründet. Dadurch kann ein Phonon, das durch Laserlicht auf große Auslenkungen angeregt wurde, Energie an andere, niederfrequentere Schwingungsmoden übertragen. Diese nichtlineare Phonon–Phonon-Kopplung führt zu einer vorübergehenden, gerichteten und selektiven Verzerrung der Kristallstruktur, d.h. bestimmte Atome des Gitters bewegen sich zeitweise an andere Positionen. Dieser Effekt im extrem wichtig für komplexe Materialien, in denen makroskopische elektronische Eigenschaften eng mit der atomaren Anordnung verknüpft sind.

Spinkontrolle durch kreisende Ionen

Im Bestreben diese Prinzipien zu verallgemeinern und zu zeigen, dass die kohärente Anregung von Phononen nicht nur die Kristallstruktur beeinflussen, sondern auch andere Eigenschaften wie die Magnetisierung direkt kontrollieren kann, hat ein internationales Forscherteam aus Deutschland, den Niederlanden und den USA die Stimulation des magnetischen Materials Erbium-Orthoferrit (ErFeO3) mit Terahertz-Strahlung untersucht.

Zunächst regten die Wissenschaftler ein einzelnes Phonon an und beobachteten die typische Signatur nichtlinearer Phononik, d.h. den Energietransfer zu niederfrequenteren Gitterschwingungen. Die Schlüsselidee, um über diese „konventionelle“ Beobachtung hinauszugehen, war es, die Wirkung zweier verschiedener, orthogonaler Phononen zu kombinieren. Durch die leicht verschiedenen Frequenzen der beiden Moden begannen die Atome des Kristallgitters um ihre ursprünglichen Positionen zu rotieren, was ein zirkular polarisiertes Phononfeld erzeugte. Diese Bewegung führte zu einer dynamischen Modulation des von den Elektronen wahrgenommenen elektrischen Feldes, die ihre Orbitalbewegung störte. Als Konsequenz wurde eine hochfrequente Magnetwelle – eine kollektive Anregung der Elektronenspins – hervorgerufen.

„Dies ist das erste Mal, dass eine direkte und kohärente Kontrolle von Spins durch Gitterschwingungen beobachtet wurde“, sagt Tobia Nova, Doktorand am MPSD in Hamburg und Erstautor der Arbeit. Das Experiment demonstriert erfolgreich, dass ein Energieaustausch zwischen stimulierten Phononen und magnetischen Anregungen bei gleichzeitiger „Verformung“ der Spinanordnung eines Materials möglich ist und somit zu einer ultraschnellen Kontrolle seiner Magnetisierung führt.

Forschungsausblick und mögliche Anwendungen

Die Auslenkung der Magnetwelle skaliert quadratisch mit der elektrischen Feldstärke der Terahertz-Strahlung. Eine moderate Erhöhung der Feldstärke könnte daher zu immenser Phonon-getriebener magnetischer Dynamik und möglicherweise zu magnetischen Schaltvorgängen führen. Da der Effekt im Terahertz-Frequenzbereich erzeugt wird, könnte sich eine Anwendung in neuen Bauteilen ergeben, die mit solch hohen Geschwindigkeiten arbeiten.

Mögliche Anwendungen zirkular polarisierter Phononen könnten sich auch weit über die Kontrolle der Magnetisierung hinaus ergeben. Es konnte bereits gezeigt werden, dass eine zeitabhängige Störung in der Form zirkular polarisierten Lichts Oberflächeneigenschaften in der neuartigen Materialklasse der sogenannten topologischen Isolatoren beeinflusst. Zudem wurde vorhergesagt, dass eine solche Störung entsprechende topologische Zustände in Graphen erzeugen könnte. Auf ähnliche Weise könnte auch Phononen-getriebene Floquet-Physik durch Gitterrotationen erzeugt werden.

Diese Arbeit wurde durch den ERC Synergy Grant „Frontiers in Quantum Materials’ Control” (Q-MAC) und den Exzellenzcluster „The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging“ (CUI) ermöglicht. Das Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ist eine Kooperation von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg. Weitere beteiligte Institutionen sind die Radboud Universiteit in Nijmegen und die University of Michigan.

Ansprechpartner:
Herr Tobia Nova
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-6574
tobia.nova@mpsd.mpg.de

Prof. Dr. Andrea Cavalleri
Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie
Center for Free-Electron Laser Science
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
Germany
+49 (0)40 8998-5354
andrea.cavalleri@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:
T. F. Nova, A. Cartella, A. Cantaluppi, M. Först, D. Bossini, R. V. Mikhaylovskiy, A. V. Kimel, R. Merlin and A. Cavalleri, “An effective magnetic field from optically driven phonons,” Nature Physics, Advance Online Publication (October 24, 2016), DOI: 10.1038/nphys3925

Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/nphys3925 Originalpublikation
http://qcmd.mpsd.mpg.de/ Forschungsgruppe von Prof. Dr. Andrea Cavalleri
http://www.mpsd.mpg.de Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Dr. Michael Grefe | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Unser Gehirn behält das Unerwartete im Blick
17.08.2018 | Philipps-Universität Marburg

nachricht Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt
16.08.2018 | Universität Bern

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: Farbeffekte durch transparente Nanostrukturen aus dem 3D-Drucker

Neues Design-Tool erstellt automatisch 3D-Druckvorlagen für Nanostrukturen zur Erzeugung benutzerdefinierter Farben | Wissenschaftler präsentieren ihre Ergebnisse diese Woche auf der angesehenen SIGGRAPH-Konferenz

Die meisten Objekte im Alltag sind mit Hilfe von Pigmenten gefärbt, doch dies hat einige Nachteile: Die Farben können verblassen, künstliche Pigmente sind oft...

Im Focus: Color effects from transparent 3D-printed nanostructures

New design tool automatically creates nanostructure 3D-print templates for user-given colors
Scientists present work at prestigious SIGGRAPH conference

Most of the objects we see are colored by pigments, but using pigments has disadvantages: such colors can fade, industrial pigments are often toxic, and...

Im Focus: Eisen und Titan in der Atmosphäre eines Exoplaneten entdeckt

Forschende der Universitäten Bern und Genf haben erstmals in der Atmosphäre eines Exoplaneten Eisen und Titan nachgewiesen. Die Existenz dieser Elemente in Gasform wurde von einem Team um den Berner Astronomen Kevin Heng theoretisch vorausgesagt und konnte nun von Genfern Astronominnen und Astronomen bestätigt werden.

Planeten in anderen Sonnensystemen, sogenannte Exoplaneten, können sehr nah um ihren Stern kreisen. Wenn dieser Stern viel heisser ist als unsere Sonne, dann...

Im Focus: Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Computersimulationen zeigen neues Verhalten von Antiskyrmionen bei zunehmenden elektrischen Strömen

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten....

Im Focus: Unraveling the nature of 'whistlers' from space in the lab

A new study sheds light on how ultralow frequency radio waves and plasmas interact

Scientists at the University of California, Los Angeles present new research on a curious cosmic phenomenon known as "whistlers" -- very low frequency packets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

LaserForum 2018 thematisiert die 3D-Fertigung von Komponenten

17.08.2018 | Veranstaltungen

Aktuelles aus der Magnetischen Resonanzspektroskopie

16.08.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2018

16.08.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bionik im Leichtbau

17.08.2018 | Verfahrenstechnologie

Klimafolgenforschung in Hannover: Kleine Pflanzen gegen große Wellen

17.08.2018 | Biowissenschaften Chemie

HAWK-Ingenieurinnen und -Ingenieure entwickeln die leichteste 9to-LKW-Achse ihrer Art

17.08.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics