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Was mit heißen Ferrimagneten passiert

Magnete im Kochtopf

| Redakteur: Christian Lüttmann

Bildliche Darstellung zum Demagnetisierungsprozess, angeregt durch das plötzliche Aufheizen des Kristallgitters durch intensive THz-Strahlung
Bildliche Darstellung zum Demagnetisierungsprozess, angeregt durch das plötzliche Aufheizen des Kristallgitters durch intensive THz-Strahlung (Bild: Fritz-Haber-Institut Berlin)

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Eine unsichtbare Kraft wohnt Magneten inne. Sie beruht auf der Ausrichtung von Elementarmagneten im Material. Hitze kann die Ausrichtung der Elementarmagnete durcheinanderbringen. Doch wie genau diese Entmagnetisierung im Einzelnen abläuft, konnte ein internationales Forscherteam erst jetzt mit „Stop-Motion-Filmen“ sichtbar machen.

Berlin – Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung. Sie kommen in verschiedenen Varianten vor. Ferrimagnete bilden die größte Klasse und bestehen jeweils aus zwei Arten von Atomen. Ähnlich einer Kompassnadel besitzt jedes Atom ein kleines magnetisches Moment, auch Spin genannt, welches von den Elektronen des Atoms erzeugt wird.

Bei einem Ferrimagneten zeigen die magnetischen Momente der beiden Atomsorten in entgegengesetzte Richtungen (siehe Abbildung A). Die Gesamtmagnetisierung ist somit die Summe aller magnetischen Momente von Typ 1 (M1, blaue Pfeile) und Typ 2 (M2, grüne Pfeile). Aufgrund der entgegengesetzten Richtung ist die Größe der Gesamtmagnetisierung durch die Differenz M1-M2 gegeben.

(A) Ein Ferrimagnet besteht aus zwei Spinsorten mit entgegengesetztem magnetischem Moment (grüne und blaue Pfeile). Im Experiment wird das Atomgitter des Ferrimagneten durch einen extrem kurzen Terahertz-Lichtblitz aufgeheizt. Die Situation ist analog zum Erhitzen von Luft (=Atomgitter) in einem Ofen, der einen Topf mit Wasser (=Spins) enthält.
(A) Ein Ferrimagnet besteht aus zwei Spinsorten mit entgegengesetztem magnetischem Moment (grüne und blaue Pfeile). Im Experiment wird das Atomgitter des Ferrimagneten durch einen extrem kurzen Terahertz-Lichtblitz aufgeheizt. Die Situation ist analog zum Erhitzen von Luft (=Atomgitter) in einem Ofen, der einen Topf mit Wasser (=Spins) enthält. (Bild: Fritz-Haber-Institut Berlin)

Hitze zerstört magnetische Ordnung

Wird ein nicht leitender Ferrimagnet erwärmt, erreicht die Wärme zunächst das Atomgitter, wodurch sich die Atome zufällig um ihre Ruhelage bewegen. Schließlich verursacht ein Teil der Wärme auch eine zufällige Rotation der Spins um ihre ursprüngliche, kalte Richtung. Dadurch geht die magnetische Ordnung verloren. Die Gesamtmagnetisierung M1-M2 nimmt ab und verschwindet schließlich, wenn die Temperatur des Ferrimagneten eine kritische Temperatur überschreitet, die so genannte Curie-Temperatur.

Obwohl dieser Prozess von grundlegender Bedeutung ist, ist seine Dynamik noch nicht gut verstanden. Dies gilt auch für einen der am intensivsten erforschten Ferrimagnete: Yttrium-Eisen-Granat, kurz YIG. Wie lange es dauert, bis das erwärmte Atomgitter und die kalten magnetischen Spins von YIG miteinander ins Gleichgewicht kommen, war bisher nicht bekannt. Schätzungen dieser Zeitskala unterschieden sich um einen Faktor von bis zu einer Million.

Stop-Motion-Film der Magnetisierung

Nun hat ein internationales Team mit Beteiligung von Berliner Wissenschaftlern die elementaren Schritte der hitzebedingten Entmagnetisierung aufgedeckt. „Um das Atomgitter eines YIG-Films augenblicklich und ausschließlich zu erwärmen, verwenden wir eine sehr spezifische und neuartige Art von Anregung: ultrakurze Laserlichtblitze bei Terahertz-Frequenzen. Mit einem nachträglich eintreffenden sichtbaren Laserimpuls können wir dann Schritt für Schritt die Entwicklung der zunächst kalten magnetischen Spins nachvollziehen. Im Wesentlichen nehmen wir einen Stop-Motion-Film über die Entwicklung der Magnetisierung auf“, sagt Dr. Sebastian Maehrlein vom Fritz-Haber-Institut in Berlin, der die Experimente durchführte.

Sein Kollege Dr. Ilie Radu vom Berliner Helmholtz-Zentrum fasst zusammen: „Unsere Beobachtungen sprechen eine klare Sprache. Wir fanden heraus, dass eine plötzliche Erwärmung des Atomgitters die magnetische Ordnung des Ferrimagneten auf zwei verschiedenen Zeitskalen reduziert: eine unglaublich schnelle Skala von nur 1 ps und eine 100.000-mal langsamere Skala von 100 ns.“

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