Würenlingen/Villigen
Forschung in extremen ultraschnellen Zeitbereichen

Einem von Forschern des Paul Scherrer Instituts geleiteten Team ist es in Experimenten am Röntgenlaser LCLS im kalifornischen Stanford gelungen, ultraschnelle magnetische Vorgänge mit Röntgenlaser live beobachtet

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Die Forscher Urs Staub (links) und Steven Johnson am Messplatz des Röntgenlasers. Hier wurden vorbereitende Experimente für die Untersuchung durchgeführt.

Die Forscher Urs Staub (links) und Steven Johnson am Messplatz des Röntgenlasers. Hier wurden vorbereitende Experimente für die Untersuchung durchgeführt.

PSI/M.Fischer

Das Team hat verfolgen können, wie sich die magnetische Struktur eines Materials verändert. Der Versuch wurde an Kupferoxid durchgeführt. Die Strukturänderung wurde durch einen Laserblitz angestossen. Mithilfe kurzer Röntgenpulse wurden für verschiedene Zeitpunkte Momentaufnahmen einzelner Zwischenschritte der Veränderung erfasst. Dabei zeigte sich, dass sich die Struktur erst 400 Femtosekunden nach dem Laserblitz zu verändern begann. Eine Femtosekunde entspricht einer Billiardstel-Sekunde. Offenbar brauchen die Elementarmagnete innerhalb des Materials so viel Zeit, um sich miteinander zu verständigen, bevor sie reagieren. Neben dem wissenschaftlichen Ergebnis liefert die Arbeit erstmals den Beweis, dass es an Röntgenlasern tatsächlich möglich ist, bestimmte extrem schnelle magnetische Vorgänge zu verfolgen. Für die Forscher des PSI ist dies ein wichtiger Meilenstein. Denn solche Untersuchungen sollen auch einen Forschungsschwerpunkt am geplanten Schweizer Röntgenlaser SwissFEL des Paul Scherrer Instituts im Würenlinger Unterwald darstellen. Die Ergebnisse dürften zur Entwicklung neuer Technologien für magnetische Speichermedien der Zukunft beitragen.

Materialien mit besonderen magnetischen Eigenschaften bilden die Grundlage vieler aktueller Technologien, insbesondere der Datenspeicherung auf Festplatten und anderen Medien. Dabei macht man sich meist die magnetische Ordnung in den Materialien zunutze: Die Atome im Material verhalten sich zum Teil wie winzige Stabmagnete. Diese Mini-Magnete können in verschiedener Weise ausgerichtet sein. In ihrer Ausrichtung kann dann Information gespeichert werden. Für eine effiziente Datenspeicherung ist es entscheidend, alte Daten schnell durch neue überschreiben zu können. Das ist möglich, wenn sich die magnetische Ordnung in einem Material innert kürzester Zeit ändern lässt. Um neuartige Materialien zu entwickeln, die ein noch schnelleres Speichern ermöglichen, ist es deshalb wichtig, den zeitlichen Ablauf dieser Änderung genau zu verstehen.

Magnetische Ordnung in Bewegung

Kupferoxid weist je nach Temperatur völlig verschiedene magnetische Ordnungen auf: unter Minus 60 Grad Celsius weisen die Spins, die an den Kupfer-Atomen als Magnete wirken, abwechselnd in die eine oder in die andere Richtung. Zwischen Minus 60 und Minus 43 Grad Celsius sind sie spiralförmig angeordnet, als würden sie eine Wendeltreppe bilden. Wie die beiden Ordnungen aussehen, weiss man schon länger. Wie lange der Übergang von der einen zur anderen Anordnung dauert, zeigte erst das Experiment der PSI-Forscher am Röntgenlaser im kalifornischen Stanford.

«In unserem Versuch haben wir mit einer kalten Probe angefangen und diese mit einem intensiven Lichtblitz aus einem optischen Laser aufgeheizt,» erklärt Steven Johnson, Sprecher des PSI-Experiments. «Kurz danach bestimmten wir die Struktur der Probe, indem wir sie mit einem extrem kurzen Puls aus dem Röntgenlaser durchleuchteten. Indem wir dies für verschiedene Zeitabstände zwischen Lichtblitz und Röntgenpuls wiederholten, konnten wir den Ablauf der Veränderungen der magnetischen Struktur rekonstruieren.»

Dass sich die Forschenden für Kupferoxid interessieren, hat gute Gründe. Bei der schraubenförmigen magnetischen Ordnung, die zwischen Minus 60 und Minus 43 Grad Celsius auftritt, ist das Material auch «multiferroisch», das heisst, elektrische und magnetische Prozesse beeinflussen sich gegenseitig. Solche Materialien haben viele denkbare Anwendungen in Bereichen, in denen Magnetismus und Elektronik wechselseitig wirken.

Wichtiger Schritt für SwissFEL

Die LCLS in Kalifornien ist 2009 als weltweit erster Freie-Elektronen-Röntgenlaser in Betrieb gegangen. Die PSI-Forschenden waren unter den Ersten, die dort experimentieren konnten. Die extrem kurzen Pulse von nur wenigen Femtosekunden machen es möglich, in Materialien den Ablauf sehr schneller Veränderungen zu verfolgen, von denen bislang nur Anfangs- und Endzustand bekannt waren. Das Experiment am Kupferoxid zeigt, dass Röntgenlaser bei Untersuchungen an magnetischen Materialien diese Erwartungen tatsächlich erfüllen können. Solche Untersuchungen werden auch einer der Schwerpunkte am SwissFEL, dem geplanten Röntgenlaser des Paul Scherrer Instituts, sein. Dieser wird im Jahr 2016 in der Nähe des PSI-Geländes in Betrieb gehen. (pwi)