Modell zur ultraschnellen Magnetisierungsdynamik in Theorie und Experiment neu verstanden
Vor etwa 20 Jahren wurde experimentell zum ersten Mal gezeigt, dass ein ferromagnetisches Material, welches mit einem extrem kurzen Laserpuls beschossen wird, seine Magnetisierung ändert. Das Überraschende an diesem Phänomen liegt in dem zeitlichen Verlauf, in dem sich dieser Prozess vollzieht. In weniger als einer Pikosekunde fällt die Magnetisierung um mehr als die Hälfte ab, um danach etwas langsamer wieder anzusteigen. Die Abbildung zeigt diesen charakteristischen zeitlichen Verlauf der Magnetisierung eines Nickelfilms bei unterschiedlichen Laserintensitäten.
In einer Zusammenarbeit zwischen theoretisch und experimentell forschenden Physikern und Physikerinnen – den Arbeitsgruppen Rethfeld, Schneider und Aeschlimann (alle im Fachbereich Physik der TU Kaiserslautern und Landesforschungszentrum OPTIMAS) – konnte ein Modell entwickelt werden anhand dessen grundlegende physikalische Effekte der Demagnetisierungsdynamik aufgedeckt werden. Ein entscheidender Aspekt war dabei die Annahme, dass die ultraschnelle Demagnetisierung durch einen Energieaustausch zwischen den Elementarmagneten sowie durch eine Umkehrung ihrer Orientierungen herbeigeführt wird. Der Temperatur- und Potentialunterschied der Elementarmagneten konnte damit als die treibende Kraft der Magnetisierungsveränderung identifiziert werden. Darüber hinaus berücksichtigt das neue Modell eine Verschiebung der Energieniveaus während des Demagnetisierungsprozesses. Dies führt zu einem Rückkopplungseffekt: Eine Verringerung der Magnetisierung führt zu einem Ungleichgewichtszustand der Temperaturen und Potentiale, was eine weitere Reduzierung der Magnetisierung nach sich zieht. Dieser neu entdeckte Rückkopplungseffekt macht einen direkten Vergleich der Magnetisierungsdynamik mit dem Experiment möglich (siehe Abbildung).
Die Entdeckung und das Verständnis dieser ultraschnellen Demagnetisierung eröffnet neue Möglichkeiten, um vor allem extrem schnelle Speichermedien entwickeln zu können. Allerdings gibt es bis heute noch keine einheitlich anerkannte Theorie, die diesen Demagnetisierungseffekt beschreibt. Hierzu konnten nun entscheidende Fortschritte erzielt werden.
Die bemerkenswerten Ergebnisse wurden kürzlich in der hochangesehenen Fachzeitschrift veröffentlicht:
Feedback Effect during Ultrafast Demagnetization Dynamics in Ferromagnets
B.Y. Mueller, A. Baral, S. Vollmar, M. Cinchetti, M. Aeschlimann, H.C. Schneider, and B. Rethfeld
Phys. Rev. Lett. 111, 167204 (2013)
Die Vorstellung der wissenschaftlichen Ergebnisse auf der „Ultrafast Magnetization Conference 2013“ fand große Resonanz.