Mit einem Laserstrahl in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen – das gelang Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität von Virginia in Charlottesville, USA. „Die Experimente haben wir mit einer Legierung aus Eisen und Aluminium durchgeführt. Sie wird gerne als Prototyp für das Studium von Magnetisierungsmechanismen gewählt, weil kleinste Änderungen in der Anordnung der Atome das magnetische Verhalten komplett verändern können“, erklärt der Physiker Dr. Rantej Bali vom HZDR. Das Material hat eine hochgeordnete Struktur: Die beiden Atom-Sorten sind lagenweise übereinander geschichtet. „Die Aluminium-Atome trennen die Eisenschichten voneinander. Wenn ein Laserstrahl diese Ordnung zerstört, rücken die Eisen-Atome näher zusammen und das Material verhält sich plötzlich wie ein Magnet.“
Ferromagnetischer Bereich durch Laserstrahl
Um die Wechselwirkung zwischen Laser und Legierung genauer untersuchen zu können, setzten Dr. Bali und sein Team eine dünne Schicht aus der Eisen- und Aluminium-Legierung auf einen transparenten Magnesium-Kristall. Am Bessy-II-Synchrotron des HZB kann mit einem speziellen Mikroskop und polarisierter Röntgenstrahlung der Effekt eines Laserstrahls auf die magnetische Ordnung der Probe hochgenau vermessen werden. Sobald die Forscher einen fokussierten Laserstrahl mit einer Pulsdauer von 100 fs (eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde) auf die Legierung richteten, bildete sich dort ein ferromagnetischer Bereich.
Völlig neues Phänomen
Später bestrahlten die Wissenschaftler den Bereich erneut, reduzierten allerdings die Energie des Lasers. Es zeigte sich, dass die Magnetisierung durch diese Behandlung wieder verschwand: Nach einem ersten Laserpuls war nur noch die Hälfte der Magnetisierung vorhanden. Mit einer Serie von Laserpulsen ließ sich die Magnetisierung sogar vollständig löschen.
„Wir sind hier auf ein völlig neues Phänomen gestoßen“, unterstreicht HZDR-Wissenschaftler Bali. Jonathan Ehrler, der als Doktorand an den Arbeiten beteiligt war, fasst die Ergebnisse zusammen: „Zum Schreiben von magnetischen Bereichen müssen wir das Material von der Oberfläche bis zur Basis schmelzen, zum Löschen darf man aber nur einen Teil schmelzen.”
Magnetische Muster in großflächigen Materialschichten
In weiteren Versuchen wollen die Forscher nun untersuchen, ob und wie stark der Effekt bei anderen Legierungen auftritt. Außerdem möchten sie erkunden, wie sich die Kombination mehrerer Laserstrahlen auswirkt. Durch Interferenzeffekte könnten so magnetische Muster auch in großflächigen Materialschichten möglich sein.
„Das Phänomen an sich ist sehr bemerkenswert, und vielleicht ergeben sich interessante Anwendungen dafür“, so Rantej Bali. Laser werden in der Industrie vielseitig eingesetzt, etwa in der Materialbearbeitung, aber auch die optischen Technologien und die Datenspeicherung könnten von der Entdeckung profitieren, schätzt der Wissenschaftler vom HZDR ein.
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