Ein neuer Dreh in einer faszinierenden Geschichte

Im Jahr 1915 berichteten Albert Einstein und Wander de Haas, dass ein aufgehängtes Eisenstäbchen sich zu drehen beginnt, wenn seine Magnetisierung durch Anlegen eines äusseren Magnetfelds geändert wird. Diese faszinierende Beobachtung dient immer noch als Lehrbuchbeispiel für den Zusammenhang zwischen Magnetismus und Drehimpuls. Neue Fragen in diesem Zusammenhang kamen jedoch auf, als vor rund 20 Jahren das Phänomen der "ultraschnelle Entmagetisierung" entdeckt wurde. Dort geht die Magnetisierung innerhalb von Pikosekunden oder noch schneller verloren, und die Frage "Wo bleibt der Drehimpuls?" wurde seitdem eifrig diskutiert. In einem Artikel, der kürzlich in der Fachzeitschrift Nature publiziert wurde, liefert nun ein Team von Physikern der ETH Zürich, des Paul Scherrer Instituts und des SLAC National Accelerator Laboratory (USA) die Antwort. Sie zeigen, dass in einem ferromagnetischen Eisenfilm der Hauptteil des Drehimpulses auf das Gitter übertragen wird, wodurch das Material leicht verdreht wird wenn sich seine Magnetisierung ändert. Der Nachweis, dass in diesem Szenario ein „ultraschneller Einstein-de-Haas-Effekt“ am Werk ist, schliesst andere Erklärungen aus und sollte Anhaltspunkte dafür bieten, wie die ultraschnelle Entmagnetisierung technologisch genutzt werden kann.

Kreiselnde Magnete

In ferromagnetischen Materialien richten sich die magnetischen Momente unzähliger Elektronen aus, um die charakteristisch starke Magnetisierung zu erzeugen. Die Elektronen dienen als Elementarmagnete, wirken aber aufgrund ihres intrinsischen Drehimpulses (oder Spins) auch als „Miniatur-Gyroskope“. Wenn die makroskopische Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials geändert wird, dann ändert sich folglich unvermeidlich auch der begleitende Drehimpuls. Die Drehimpulserhaltung verlangt dann, dass diese Änderung kompensiert wird. Für ferromagnetische Materialien ist der mit ausgerichteten Elektronenspins verbundene Drehimpuls stark genug, um ihn in eine mechanische Drehung umzuwandeln, wenn der Drehimpuls auf das Gitter übertragen wird. Dies ist, was Einstein und de Haas gezeigt haben (ein Jahrzehnt vor der Einführung des zugrunde liegenden Spinkonzepts).

Bei der ultraschnellen Entmagnetisierung ist es schwieriger, zu verfolgen, was mit dem Drehimpuls passiert. Dies vor allem, weil die relevanten Zeitskalen extrem kurz sind: in den letzten zwei Jahrzehnten wurde gezeigt, dass in mehreren metallischen Ferromagneten ein intensiver Laserpuls die Magnetisierung des Materials innerhalb von weniger als 100 Femtosekunden verschwinden lassen kann. Dies ist interessant mit Hinblick auf schnelle optisch gesteuerte Elektronikbausteine, aber der Fortschritt auf diesem Gebiet wird dadurch gebremst, dass die mikroskopischen Mechanismen, die diesem Phänomen zugrunde liegen, noch unvollständig verstanden sind. Das Team um Steven Johnson, Professor am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich und Teamleiter am Paul Scherrer Institut, zeigt nun, wie der Drehimpuls, der durch die Abnahme der magnetischen Ordnung aus dem Spinsystem verloren geht, innerhalb kürzester Zeit durch das Gitter absorbiert wird.

Ultraschnelle Änderungen nachverfolgen

Um Zugang zu den kurzen Zeitskalen zu erhalten, auf denen sich die ultraschnelle Entmagetisierung abspielt, nutzte das Team die Linac Coherent Light Source (LCLS) im SLAC National Accelerator Laboratory zur Durchführung von zeitaufgelösten Femtosekunden-Röntgenbeugungsexperimenten. Ihr Experiment war so konzipiert, dass Verformungen, wie sie bei der Übertragung des Drehimpulses auf das Gitter erwartet werden, mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden können. Die Forscher untersuchten einen Eisenfilm mit einer Dicke von einigen zehn Nanometern und fanden, dass die laserinduzierte Entmagnetisierung eine transversale Dehnungswelle auslöst, die sich von der Oberfläche der Probe in ihr Volumen ausbreitet. Diese Dehnungswelle, so erklären sie, muss von einer Änderung des Drehimpulses des Gitters herrühren, wobei nur der Einstein-de-Haas-Effekt als Ursache für das beobachtete Verhalten übrig bleibt. Ein Vergleich der experimentellen Daten mit den Vorhersagen eines Modells legt nahe, dass 80% des Drehimpulses, der während des Entmagnetisierungsprozesses verloren geht, von den Spins auf das Gitter übertragen wird. Durch dieses Resultat konnten die Physiker zeigen, dass die ultraschnelle Entmagnetisierung durch sogenannte Spin-Flip-Prozesse passiert – zumindest in der nun untersuchten Probe – und nicht etwa durch den Transport von Spins von einem Ort zu einem anderen.

Johnson und seine Kollegen erwarten jedoch, dass Ähnliches in anderen Materialien passiert, in denen die Magnetisierung mit optischen Femtosekundenpulsen manipuliert werden kann. Ein solches ultraschnelles optisches Schalten ist im Hinblick auf praktische Anwendungen, beispielsweise für neuartige Magnetspeicher, von erheblichem Interesse. Der nun entdeckte neue Dreh bezüglich des berühmten Einstein-de-Haas-Effekts, zusammen mit den neuen fundamentalen Erkenntnissen, sollte wertvolle Leitlinien liefern für die Umsetzung dieses Versprechens in die Praxis.