Durchbruch für effiziente und schnelle spintronische Bauelemente

Neue weiche Röntgenquelle könnte für viele Anwendungen in Physik, Chemie und Biologie genutzt werden

27.04.2022 - Kanada

INRS-Forschern und internationalen Partnern ist es gelungen, mit Hilfe eines ultraschnellen Tisch-Röntgenmikroskops für weiche Röntgenstrahlung zum ersten Mal den Spin im Inneren von Seltenerdmaterialien zu untersuchen.

Der Austausch von Informationen in Echtzeit erfordert komplexe Netzwerke von Systemen. Ein vielversprechender Ansatz zur Beschleunigung von Datenspeichern besteht darin, die Magnetisierung bzw. den Spin der Elektronen in magnetischen Materialien mit ultrakurzen Femtosekunden-Laserpulsen zu verändern. Doch wie sich der Spin in der Nanowelt auf extrem kurzen Zeitskalen, in einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde, entwickelt, blieb bisher weitgehend rätselhaft. Das Team von Professor François Légaré am Institut national de la recherche scientifique (INRS) hat in Zusammenarbeit mit der TU Wien, Österreich, der französischen Synchrotronanlage (SOLEIL) und anderen internationalen Partnern einen wichtigen Durchbruch auf diesem Gebiet erzielt. Ihre Arbeit wurde in der Zeitschrift Optica veröffentlicht.

Bisher waren Studien zu diesem Thema stark auf den begrenzten Zugang zu großen Röntgenanlagen wie Freie-Elektronen-Lasern und Synchrotrons angewiesen. Das Team demonstriert zum ersten Mal ein ultraschnelles, weiches Röntgenmikroskop auf einem Tisch, mit dem sich die Spindynamik im Inneren von Seltenerdmaterialien, die vielversprechend für spintronische Geräte sind, räumlich und zeitlich auflösen lässt.

Bloß kleine Wellen schlagen

Forscherteam erzeugt ultrakurze Spinwellen in einem erstaunlich einfachen Material

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Diese neue weiche Röntgenquelle, die auf einem hochenergetischen Ytterbium-Laser basiert, stellt einen entscheidenden Fortschritt für die Untersuchung zukünftiger energieeffizienter und schneller spintronischer Bauelemente dar und könnte für viele Anwendungen in der Physik, Chemie und Biologie genutzt werden.

"Unser Ansatz bietet eine robuste, kosteneffiziente und energieskalierbare elegante Lösung für viele Labors. Er ermöglicht die Untersuchung ultraschneller Dynamik in nanoskaligen und mesoskaligen Strukturen mit räumlicher Auflösung im Nanometerbereich und zeitlicher Auflösung im Femtosekundenbereich sowie mit Elementspezifität", sagt Professor Andrius Baltuska von der TU Wien.

Helle Röntgenpulse zur Beobachtung des Spins

Mit dieser hellen Quelle von Röntgenphotonen wurden eine Reihe von Schnappschüssen der magnetischen Strukturen der Seltenen Erden im Nanomaßstab aufgenommen. Sie zeigen deutlich den schnellen Entmagnetisierungsprozess, und die Ergebnisse liefern reichhaltige Informationen über die magnetischen Eigenschaften, die genauso genau sind wie jene, die mit großen Röntgenanlagen gewonnen werden.

"Die Entwicklung ultraschneller Tabletop-Röntgenquellen ist für technologische Spitzenanwendungen und moderne Wissenschaftsbereiche von großer Bedeutung. Wir freuen uns über unsere Ergebnisse, die für die künftige Forschung im Bereich der Spintronik und in anderen potenziellen Bereichen hilfreich sein könnten", sagt INRS-Postdoktorand Dr. Guangyu Fan.

"Systeme aus Seltenen Erden sind wegen ihrer Nanometergröße, ihrer Schnelligkeit und ihrer topologisch geschützten Stabilität in der Community im Trend. Die Röntgenquelle ist sehr attraktiv für viele Studien über zukünftige spintronische Bauelemente aus Seltenen Erden", sagt Nicolas Jaouen, leitender Wissenschaftler an der nationalen französischen Synchrotronanlage.

Professor Légaré unterstreicht die Zusammenarbeit zwischen Experten bei der Entwicklung modernster Lichtquellen und ultraschneller Dynamik in magnetischen Materialien im Nanobereich. "In Anbetracht der raschen Entwicklung der Ytterbium-Hochleistungslasertechnologie stellt diese Arbeit ein enormes Potenzial für leistungsstarke Quellen für weiche Röntgenstrahlung dar. Diese neue Generation von Lasern, die bald an der Advanced Laser Light Source (ALLS) zur Verfügung stehen wird, wird in Zukunft viele Anwendungen in den Bereichen Physik, Chemie und sogar Biologie haben", sagt er.

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Originalveröffentlichung

G. Fan et al.; Ultrafast magnetic scattering on ferrimagnets enabled by a bright Yb-based soft x-ray source; Optica Vol. 9, Issue 4, pp. 399-407 (2022)

https://www.chemie.de/news/1175800/durchbruch-fuer-effiziente-und-schnelle-spintronische-bauelemente.html

Originalveröffentlichung

G. Fan et al.; Ultrafast magnetic scattering on ferrimagnets enabled by a bright Yb-based soft x-ray source; Optica Vol. 9, Issue 4, pp. 399-407 (2022)

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