Optische Demagnetisierung von Spins durch Laserpuls dauert nur 100 Femtosekunden „Spin-Flip“ in Sekundenbruchteilen - scinexx | Das Wissensmagazin
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Optische Demagnetisierung von Spins durch Laserpuls dauert nur 100 Femtosekunden

„Spin-Flip“ in Sekundenbruchteilen

Mit einem Laserpuls lässt sich ein Spin in nur 100 Femtosekunden umpolen – das hat jetzt ein in „Nature Materials“ veröffentlichtes Experiment ergeben. Dies wichtige neue Erkenntnis zeigt, dass neue optische Verfahren zukünftige magnetische Speichermedien um ein Mehrfaches gegenüber bisherigen Schreib-Leseköpfen beschleunigen könnten.

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Wenn sich die magnetische Eigenschaft eines Metalls wie Eisen, Kobalt oder Nickel ändert, dann ist das ein äußerst komplexer Vorgang. Elektronen und auch die Schwingungen des Kristallgitters sind daran beteiligt. Sie beeinflussen unter anderem, wie schnell ein Magnet seine Richtung ändern oder durch Erwärmung unmagnetisch werden kann. Diese mikroskopischen Prozesse sind es auch, die beispielsweise die Schreibgeschwindigkeit beim magnetischen Speichern auf der Computer-Festplatte bestimmen. Hier ändert ein kurzer Magnetpuls die Magnetisierung eines Bits im Speicher.

Wie schnell kann ein Spin „flippen“

Doch auf der Suche nach besseren Speichermöglichkeiten richtet sich das Augenmerk der Forschung mehr und mehr auf die Spins von Atomen: die kleinste Einheit der Magnetisierung. Große Frage dabei. Wie schnell kann ein solcher Spin „flippen“ – also seine Magnetisierung umkehren. Die Antwort darauf hat nun ein Forscherteam der Technischen Universität Kaiserslautern mit Kollegen der Technischen Universität Eindhoven und des Max-Planck-Institut für Metallforschung in Stuttgart im Experiment ermittelt. Als Folge gelang es ihnen, die Bewegung der Spins in einem einheitlichen Modell zu erfassen und im Detail zu beschreiben.

Laserpuls polt Spins um

Das dazugehörige aufwändige physikalische Experiment lässt sich vereinfacht mit einem Schulversuch mit Bunsenbrenner und Magnet vergleichen. Wird der Magnet mit dem Bunsenbrenner erwärmt, verliert dieser seine magnetische Anziehungskraft, da die Spins flippen. Anstelle des Bunsenbrenners verwendeten die Wissenschaftler jedoch ultrakurze Lichtpäckchen. Diese Lichtpulse des Lasers treffen auf einen Magneten in Form eines dünnen magnetischen Films mit einer Schichtdicke im

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Nanometerbereich.

Die durch den Laser eingetragene Energie wird zunächst von den Elektronen aufgenommen. Diese geben die Wärme aber rasch an das magnetische System und damit die Spins weiter. Und tatsächlich: Die Spins flippten. Das optische Signal löste eine Änderung der Magnetisierung aus. Für zukünftige optische Computerbauteile wäre dies ein wichtiger Prozess.

Flip in 100 Femtosekunden

Aber wie schnell läuft das Ganze nun ab? Das konnten die Forscher nun erstmals feststellen. Die

Demagnetisierung erfolgte auf ultrakurzen Zeitskalen von rund 100 Femtosekunden (fs). Zum Vergleich: 100 Femtosekunden verhalten sich zu einer Sekunde so wie ein halber Tag zum Alter des Universums. In puncto Geschwindigkeit wäre damit diese neue, optische Strategie der gegenwärtigen Standard-Technologie in modernen Rechnern unter Einsatz kurzer Magnetfeldpulse weit überlegen. Ihre konsequente Anwendung verspricht eine Steigerung der Speichergeschwindigkeit um mehrere Größenordnungen.

In einem Zukunftsprojekt muss jetzt noch die laterale Ausdehnung des dünnen magnetischen Films auf Nanometergröße zu so genannten Nanodots schrumpfen. Durch intelligentes Maßschneidern der physikalischen Eigenschaften des Laserpulses erhoffen sich die Forscher, sogar einen einzelnen Nanodot zu demagnetisieren oder zu schalten – damit wäre ein Bit in Nanometergröße ultraschnell geschrieben.

(Technische Universität Kaiserslautern, 30.12.2009 – NPO)

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