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Was mit heißen Ferrimagneten passiert Magnete im Kochtopf

Redakteur: Christian Lüttmann

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.

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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)

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.“

Magnete aufheizen und Wasser kochen

Diese beiden Zeitskalen können analog zu Wasser in einem geschlossenen Topf, der in einen heißen Ofen gestellt wird, verstanden werden. Die heiße Luft des Ofens entspricht dem heißen Atomgitter, während die magnetischen Spins dem Wasser im Topf entsprechen (siehe Abbildung A).

(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)

Wird das Atomgitter durch den Terahertz-Laserblitz erwärmt, führen die verstärkten zufälligen Schwingungen der Atome zu einer Übertragung der magnetischen Ordnung von Spintyp 1 auf Spintyp 2. Weil die Spintypen entgegengesetzt ausgerichtet sind, werden die beiden magnetischen Momente M1 und M2 (blaue und grüne Pfeile in Abbildung B) durch die Übertragung um genau den gleichen Betrag reduziert (rote Pfeile).

Dieser Prozess entwickelt sich auf der schnellen Zeitskala, wobei die Gesamtmagnetisierung M1-M2 konstant bleibt. Die atomaren Spins sind gezwungen, sich aufzuheizen, genau wie Wasser in einem geschlossenen Topf, das sein Volumen halten muss.

„Spinüberdruck“ an Atomgitter ablassen

(B) Wärme wird in die Spins übertragen und erniedrigt die Magnetisierung jeder Spinsorte um genau denselben Betrag. Dieser Prozess läuft ab, indem Spin (rote Pfeile) von der blauen in die grüne Spinsorte übertragen wird. Folglich heizt sich der Magnet auf, ohne seine Gesamtmagnetisierung zu ändern! In der Topf-Analogie wird die Wärme der Ofenluft ins Wasser innerhalb des Topfes übertragen. Die Wassermenge im Topf hat sich dabei nicht geändert; jedoch hat sich ein Überdruck aufgebaut.
(B) Wärme wird in die Spins übertragen und erniedrigt die Magnetisierung jeder Spinsorte um genau denselben Betrag. Dieser Prozess läuft ab, indem Spin (rote Pfeile) von der blauen in die grüne Spinsorte übertragen wird. Folglich heizt sich der Magnet auf, ohne seine Gesamtmagnetisierung zu ändern! In der Topf-Analogie wird die Wärme der Ofenluft ins Wasser innerhalb des Topfes übertragen. Die Wassermenge im Topf hat sich dabei nicht geändert; jedoch hat sich ein Überdruck aufgebaut.
(Bild: Fritz-Haber-Institut Berlin)

Der aufgeheizte Ferrimagnet möchte aber nicht nur die magnetischen Momente M1 und M2 verkleinern, sondern auch seine Gesamtmagnetisierung M1-M2. Dazu muss ein Teil des Spins an das Atomgitter abgegeben werden.

Diese Situation ist wiederum analog zum heißen Wasser in einem geschlossenen Topf: Der Druck im Topf steigt an, wird aber durch kleine Lecks im Deckel langsam nach außen abgegeben (siehe Abbildung C). Diese Übertragung von Drehimpuls an das Atomgitter ist genau das, was im Ferrimagneten durch schwache Kopplungen zwischen den Spins und dem Gitter passiert, sagen die Forscher. So kommt es schließlich zur Abnahme der Gesamtmagnetisierung, weil die magnetischen Momente zwar noch entgegengesetzt ausgerichtet sind, aber auch gleich groß und sich somit gegenseitig ausgleichen.

(C) Der Spin-Überdruck führt schließlich zur Übertragung von Spin-Drehimpuls ins Atomgitter. Dabei verkleinert sich die Magnetisierung des Ferrimagneten. In der Topf-Analogie baut sich der Wasser-Überdruck durch kleine Lecks im Topfdeckel ab.
(C) Der Spin-Überdruck führt schließlich zur Übertragung von Spin-Drehimpuls ins Atomgitter. Dabei verkleinert sich die Magnetisierung des Ferrimagneten. In der Topf-Analogie baut sich der Wasser-Überdruck durch kleine Lecks im Topfdeckel ab.
(Bild: Fritz-Haber-Institut Berlin)

Relevant für Datenspeicherung

Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen.

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, fasst Radu zusammen. Die Forschungsresultate könnten zudem praktischen Nutzen haben, wie Maehrlein ergänzt: „Unsere Ergebnisse sind auch für Anwendungen in der Datenspeicherung relevant. Der Grund ist einfach. Wann immer wir den Wert eines Bits in einem magnetischen Speichermedium zwischen 0 und 1 umschalten wollen, müssen letztlich Drehimpuls und Energie zwischen Atomgitter und Spins übertragen werden.“

Originalpublikation: S. F. Maehrlein, I. Radu, P. Maldonado, A. Paarmann, M. Gensch, A. M. Kalashnikova, R. V. Pisarev, M. Wolf, P. M. Oppeneer, J. Barker, T. Kampfrath: Dissecting spin-phonon equilibration in ferrimagnetic insulators by ultrafast lattice excitation. Sci. Adv. 4, eaar5164 (2018); DOI: 10.1126/sciadv.aar5164

(ID:45417656)