Mit Licht magnetische Kräfte manipulieren

Die magnetischen Kräfte in Materialien wie Eisen können mit Licht ultraschnell manipuliert werden. Johan Mentink und Martin Eckstein von der Universität Hamburg am Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) und dem MPI für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) haben dies in einer Publikation in Physical Review Letters theoretisch gezeigt. Eine schnelle und effektive Manipulation von magnetischen Zuständen ist von großer Bedeutung nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für technologische Entwicklungen. Zum Beispiel könnte sie in Zukunft  die Herstellung schnellerer Festplatten ermöglichen.

Darstellung der Manipulation von magnetischen Kräfte mit Licht: Ein Laserpuls durch Elektronen, die die Wechselwirkung zwischen den Spins verändert.

Die Wechselwirkung zwischen mikroskopischen "Spins" (d.h. magnetischen Momenten) bestimmt die Stärke eines Magneten und ist abhängig von den Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in dem jeweiligen Material. Die Elektronen koppeln dabei sehr schnell an ein äußeres elektrisches Feld, wie etwa Laserlicht im Femtosekundenbereich. Was aber dabei mit den magnetischen Kräften geschieht, ist weitgehend unklar, da die vorhandenen theoretischen Konzepte und Formeln nicht auf so kurze Zeitskalen anwendbar sind. Mentink und Eckstein haben zwei neuartige theoretische Methoden kombiniert, um die Änderung von Magnetismus auf ultraschnellen Zeitskalen berechnen zu können. Die Ergebnisse zeigen, dass sich die magnetischen Kräfte fast augenblicklich an den angeregten Zustand der Elektronen anpassen, und deshalb schnell und effektiv mit Licht manipuliert werden können.

 

Schwächerer Magnetismus für effizientere Festplatten

Eine Abschwächung des Magnetismus erleichtert es, magnetischen Bits umzuschalten, etwa auf einer Festplatte. Mit der besten heute zur Verfügung stehenden Technologie dauert ein solcher Schaltvorgang etwa eine Nanosekunde. Eine Schwächung der magnetischen Kräfte jedoch kann, wie von Mentink und Eckstein gezeigt, noch über 10.000 mal schneller bewirkt werden. Genauso wie etwa modernste Lasertechnologie heute die Medizintechnik revolutioniert hat, könnte dieses Prinzip in Zukunft zu einer völlig neuen Generation von Speichermedien führen, die direkt auf elektrische Felder reagiert.

 

Magnetismus erzeugen

Die Forscher zeigten den Effekt anhand eines relativ einfachen Modells für ein nichtleitendes Festkörpermaterial. Dieses Ergebnis ist der Ausgangspunkt für weitere Forschungen mit anderen Materialien und verschiedenen Arten von Laserfeldern. Darüber hinaus wäre es interessant festzustellen, ob man Magnetismus auch gezielt verstärken kann. Mentink: "Unser Traum ist es, ein nicht-magnetisches Material magnetisch zu machen und ihm somit mehr Funktionalität zu geben. Noch ist es zu früh, um bestimmte Vorhersagen zu machen, aber stellen Sie sich zum Beispiel vor, man könnte Silizium oder Graphen magnetisch machen. Dies hätte enorme Auswirkungen auf zukünftige technologische Entwicklungen."

 

Rubicon

Für seine Arbeit in der Forschungsgruppe von Martin Eckstein an der Universität Hamburg erhielt Johan Mentink ein NWO Rubicon Forschungsstipendium. Weitere Informationen über das Rubicon-Programm der niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO) sind unter www.nwo.nl verfügbar

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