Flitzende Elektronen führen zu schneller Entmagnetisierung

Magnetische Domänen bilden labyrinthartige Strukturen aus.
Magnetische Domänen

Berlin/Hamburg/Paris – Ferromagnetische Materialien bestehen in der Regel aus mikroskopischen Bereichen verschiedener Magnetisierung, den sogenannten magnetischen Domänen. Untersuchungen mit dem Freie-Elektronen-Laser FLASH haben jetzt einen überraschenden Vorgang aufgedeckt, bei dem sich Elektronen blitzschnell zwischen diesen Domänen hin- und herbewegen und dadurch die Entmagnetisierung des Stoffes beeinflussen. Dieser Effekt könnte bei der Verkleinerung von magnetischen Speichern eine wichtige Rolle spielen wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift „Nature Communications“ schreiben.

Auf die Spur gekommen sind die Physiker den schnellen Elektronen, als sie ein bereits seit einigen Jahren bekanntes Phänomen untersuchten: Laserlichtpulse können ferromagnetische Materialien, wie zum Beispiel magnetisiertes Eisen, sehr schnell entmagnetisieren. In wenigen hundert Femtosekunden wird der Ferromagnet unter der Lasereinstrahlung unmagnetisch. Die Forscher um Bastian Pfau von der TU Berlin beobachteten jetzt mithilfe des Röntgenlasers FLASH einen Mechanismus, der zur Entmagnetisierung in Stoffen mit magnetische Domänen führt – und dessen Existenz man bisher nur vermutet hatte. „Beim Beschuss mit Laserlicht können freigesetzte Elektronen, die durch das Material flitzen, die Domänengrenzen überwinden und sozusagen die Seite wechseln. So gelangen sie aus einer Domäne in eine andersherum magnetisierte Domäne. Dort tragen sie dazu bei, die lokale Magnetisierung zu zerstören“, erklärt Pfau die Beobachtungen des Forscherteams, die sich mit theoretischen Modellen und Simulationen decken.

Verschiedene magnetische Domänen sind farbig in rot und grün dargestellt. Pfeile symbolisieren die verschiedenen Spins der Elektronen, die für die Änderung der Magnetsisierung verantwortlich sind.
Schematische Skizze der magnetischen Domänen

Da die magnetischen Eigenschaften eines Materials zu großen Teilen von dem Elektronenspin bestimmt werden, transportieren die schnellen Elektronen quasi einen Teil der Magnetisierung von einer Domäne zur nächsten. Das führt zu mikroskopischen Veränderungen im Ferromagneten, die durch geschickte Bestrahlung mit Laserlicht sichtbar gemacht werden können. „Mit seinen ultrakurzen Röntgenblitzen von unter hundert Femtosekunden Dauer ist FLASH in der Lage, dabei gleichzeitig auch kleinste Veränderungen in der Größe und den Eigenschaften der magnetischen Domänen festzustellen“, erläutert Christian Gutt vom Forschungszentrum DESY. Die Wissenschaftler versprechen sich mit ihren Ergebnissen einen neuen Ansatz, um in Zukunft durch die gezielte Manipulation magnetischer Nanostrukturen schnellere und kleinere magnetische Datenspeicher zu entwickeln.