Den physikalischen Grenzen der Datenspeicherung auf der Spur

Forscher aus Jülich, Kaiserslautern und den USA veröffentlichen neue Methode zur Messung schnellster magnetischer Vorgänge

18.12.2009 - Deutschland

Die Informationstechnik der Zukunft ist kleiner, schneller und sparsamer. Der Weg dahin könnte über Lichtpulse gehen, die nur wenige Nanometer große magnetische Informationsbits in einen Datenträger schreiben. Laut theoretischen Berechnungen könnten solche Schreibprozesse um den Faktor 1.000 schneller ablaufen als in der heutigen Technik. Experimentelle Messungen an konkreten Materialien sind jedoch äußerst anspruchsvoll. Ein deutsch-amerikanisches Wissenschaftler-Team stellt in "Physical Review Letters" ein Verfahren vor, das sich vergleichsweise einfach mit so genannten Femtosekundenlasern in Laboren weltweit durchführen ließe.

Die Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der Universität von Kaiserslautern sowie der University of Colorado und des National Institute of Standards and Technology in Boulder, USA, haben mit ihrer neuen Methode eine zeitliche Auflösung von nur 55 Billiardstel Sekunden (Femtosekunden oder 10-15 Sekunden) erreicht. "Unsere Methode erlaubt Antworten auf grundlegende Fragen des Magnetismus und ermöglicht, die materialspezifischen physikalischen Grenzen der magnetischen Schaltgeschwindigkeit zu bestimmen, welche die Schreibgeschwindigkeit magnetischer Datenverarbeitungssysteme begrenzen", freut sich Prof. Claus M. Schneider, Direktor des Jülicher Instituts für Festkörperforschung.

Die neue Methode hat vier Vorzüge, die sie einzigartig machen: Erstens ist die zeitliche Auflösung fein genug, um auch die schnellsten magnetischen Vorgänge, möglicherweise sogar im Attosekundenbereich zu beobachten. Zweitens können nun in Legierungen die Eigenschaften der einzelnen Bestandteile getrennt voneinander untersucht werden. Drittens lässt sich der Probenstrahl gut fokussieren, um Strukturen im Nanometerbereich untersuchen zu können. Und viertens benötigt man keine Großgeräte, sondern die Technik kann sogar im Labor verfügbar gemacht werden.

Ausgangspunkt der neuen Methode ist ein Femtosekundenlaser, wie er schon in vielen Laboren steht. Seine kurzen Lichtpulse werden in das Edelgas Neon geleitet. Dabei entstehen Pulse aus weicher Röntgenstrahlung, die nur rund 10 Femtosekunden lang sind, und auf die Probe treffen. In den vorliegenden Versuchen wurde eine weichmagnetische Eisen-Nickel-Legierung untersucht, deren Magnetisierung mittels Spulen verändert werden konnte. Das Material wurde in Form eines Beugungsgitters im Mikrometermaßstab in den Strahlengang gebracht. Das resultierende Beugungsmuster konnte sehr genau vermessen werden und erlaubt Rückschlüsse auf den Beitrag der einzelnen Elemente in der Legierung und auf die Eigenschaften der Probe.

Bisher wurden entweder sogenannte ultraschnelle Laser oder Röntgenstrahlen aus großen Synchrotronanlagen eingesetzt, um der magnetischen Umorientierung zu folgen. Ultraschnelle Laser im sichtbaren Bereich können jedoch nur das kombinierte Signal aller magnetischen Elemente eines Materials aufzeichnen. Röntgenstrahl-Pulse aus Synchrotronanlagen sind hingegen noch zu lang, um den schnellen Wechseln eines magnetischen Signals folgen zu können.

Originalveröffentlichung: C. La-O-Vorakiat et al.; "Ultrafast Demagnetization Dynamics at the M Edges of Magnetic Elements Observed Using a Tabletop High-Harmonic Soft X-Ray Source"; Phys. Rev. Lett. 2009, Volume 103, Number 25, 257402

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