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Internationales Physiker-Team löst mit moderner Technik ein Rätsel des Magnetismus

Wenn Wasser gefriert, kommt es zu einem Phasenübergang: Die Flüssigkeit ändert ihren Aggregatzustand und wird zu Eis. Schon lange beschäftigt sich die Forschung mit solchen Phänomenen. Sie will verstehen, weshalb sich ein Zustand in einen anderen wandelt und was bei diesem Prozess in den betrachteten Materialien geschieht. Ein internationales Team mit OPTIMAS Forscher Professor Martin Aeschlimann hat nun das Rätsel um einen Phasenübergang im magnetischen Material Kobalt gelöst. Dies war nur dank hochmoderner Technik möglich.

Betrachtet man Elektronen in einem magnetischen Metall, stellt man fest, dass diese nach einem bestimmten Schema angeordnet sind. In solchen magnetischen Materialien hat der Großteil der darin enthaltenen Elektronen einen Spin, also einen Eigendrehimpuls, der nach unten weist (Majoritätselektronen). Die restlichen Elektronen zeigen eine Spinausrichtung nach oben (Minoritätselektronen). Dieses Ungleichgewicht in der Anzahl der Majoritäts- und Minoritätselektronen führt in Summe zu einer Magnetisierung des Materials. Führt man diesem System nun Energie zu (zum Beispiel durch Erwärmen), so brechen einige Majoritätselektronen aus dieser Ordnung aus und die Richtung ihres Eigendrehimpulses ändert sich.

Diese Änderung der Spinausrichtung führt nun dazu, dass sich das Ungleichgewicht zwischen den Elektronen mit unterschiedlicher Ausrichtung verringert und somit auch die Magnetisierung abnimmt. Man spricht von einem Phasenübergang vom geordneten magnetischen in den ungeordneten Zustand. Genau diese Änderung steht im Fokus der Forschung des internationalen Physiker-Teams um OPTIMAS Forscher Professor Martin Aeschlimann.

Für die Erklärung dieses Phänomens gab es bisher zwei gegenläufige Theorien: Eine Theorie geht davon aus, dass einige der Elektronen ihre Spinausrichtung umkehren und somit das Ungleichgewicht reduzieren. Eine andere Theorie für diesen Phasenübergang geht dagegen davon aus, dass mehrere Elektronen gleichzeitig ihre Spinausrichtung verkippen, dafür aber nur leicht.

Die Physikerinnen und Physiker konnten erstmals nachweisen, dass die zweite Theorie, das sogenannte Heisenberg-Bild, die Erklärung für den Phasenübergang liefert. Mit einem Laser regten sie die Elektronen in einer dünnen Schicht Kobalt zu einem Phasenübergang an, der innerhalb nur weniger Femtosekunden abläuft. In dieser kurzen Zeitspanne legt beispielsweise Licht gerade ein Tausendstel der Dicke eines Haares zurück. Dank modernster Messtechnik konnte das Wissenschaftler-Team den magnetischen Phasenübergang genau studieren, was zahlreiche neue Rückschlüsse auf ultraschnelle magnetische Prozesse und die beteiligten mikroskopischen Prozesse liefert.

Wesentliche Teile der Forschung wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereiches der DFG SFB/TRR 173 Spin+X sowie des Landesforschungszentrums OPTIMAS der TU Kaiserslautern durchgeführt. Involviert waren Arbeitsgruppen der TU Kaiserslautern, des Forschungszentrums Jülich, der Universität Göttingen, der Universität Dortmund sowie der University of Colorado und des National Institute of Standards in Boulder (Colorado, USA).

Die Arbeit der Kaiserslauterer Forscher und ihrer Kollegen wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht:

TITEL: Band structure evolution during the ultrafast ferromagnetic-paramagnetic phase transition in cobalt

http://advances.sciencemag.org/content/3/3/e1602094.full

 

Ansprechpartner für Rückfragen:

Prof. Martin Aeschlimann

Fachbereich Physik

Telefon: 0631-205 2322

E-Mail: ma[at]physik.uni-kl.de