Je leest:

Magnetische interacties op nanoschaal onder de laserloep

Magnetische interacties op nanoschaal onder de laserloep

Auteur: | 2 april 2013

Een team van onder andere Nijmeegse wetenschappers heeft een röntgenlaser als microscoop ingezet om op nanoschaal extreem snelle magnetische interacties in een legering op te helderen. Ze kwamen erachter dat verschillende atomen – in feite losse magneetjes – razendsnel magnetisme aan elkaar overdragen. Deze ontdekking brengt snelle en energiezuinige dataopslag een stapje dichterbij.

Sinds een jaar of vijf is de wetenschappelijke wereld overtuigd: Het ‘omdraaien’ van magneten met behulp van licht is mogelijk. De onderzoeksgroep van Theo Rasing van de Radboud Universiteit in Nijmegen ontdekte dat in een legering van ijzer en gadolinium, waarin ze de magnetische spins van de atomen konden omdraaien met ultrakorte laserpulsen.

De röntgenlaser in Stanford.
SLAC

Inmiddels zijn Rasing en zijn collega’s verder gegaan met het onderzoeken van deze legering en besloten de magnetische eigenschappen van het materiaal te onderzoeken met de unieke röntgenlaser die in Stanford staat. Want hoewel het mogelijk bleek om magnetisch te schakelen met licht, het doorgronden van dat proces lukte nog niet.

De laser in Stanford leek geschikt voor deze taak, want het is hiermee mogelijk magnetische interacties op de schaal van de nanometer te volgen. Bovendien deinst het apparaat niet terug voor extreem snelle processen. Zelfs effecten op de tijdschaal van femtoseconden kunnen waargenomen worden.

Een laser als microscoop, hoe werkt dat?

Het principe is vergelijkbaar met röntgenkristallografie, een techniek die al jaren wordt gebruikt om de structuur van vaste stoffen met hoge precieze te kunnen bepalen.

Door met een bundel röntgenstraling op het materiaal te schijnen, ontstaat daarachter een patroon van puntjes (alsof je met een zaklamp door een wolle trui heen schijnt). Uit die informatie kan de structuur van materiaal worden afgeleid.

Deze techniek werkt, zij in iets mindere mate, ook bij dunne materialen die niet keurig in een kristalrooster zijn geordend, zoals een legering. Door met een laser op dunne films van metaal van pakweg 20 nanometer dik te schijnen ontstaat wederom een patroon waaruit informatie over de structuur van de legering tot op nanometerniveau te herleiden is. Ter vergelijking: een ijzeratoom heeft een diameter van minder dan 0,1 nanometer.

IJzer-rijke eilandjes

“We ontdekten dat er in de legering verschillende ijzer- en gadolinium-rijke ‘eilandjes’ zitten”, laat Rasing weten. “Dat was een verrassing, want dat was nog niet eerder waargenomen. Met microscopische technieken als Scanning Tunneling Microscopy kunnen namelijk geweldig hoge resoluties worden gehaald, maar met deze methode is moeilijk te achterhalen naar wat voor atomen je kijkt. Dat kan met een röntgenlaser dus wel.”

“Er zit overigens ook nog een beetje kobalt in deze legering, maar dat beschouw ik meer als het ‘snufje zout’”, zegt Rasing. “Dat is voornamelijk bedoeld om de magnetische eigenschappen van deze materialen te optimaliseren voor de experimenten.”

De verdeling van ijzer en gadolinium in de gebruikte legering van de twee metalen. Vergroot voor meer uitleg.
Theo Rasing/Radboud Universiteit Nijmegen
De magnetische eigenschappen van een materiaal worden bepaald door eigenschappen van de magnetische spins in het materiaal.
Wikimedia Commons

Schakelen met ‘hete’ elektronen

Rasing en collega’s probeerden met de experimenten te achterhalen hoe het mogelijk is dat een zogenoemd ferrimagnetisch materiaal magnetisch geschakeld kan worden met licht. In een ferrimagnetisch materiaal zitten verschillende soorten atomen, die allemaal beschouwd kunnen worden als kleine magneetjes. Die magneetjes zitten bovendien het liefst om en om in tegenovergestelde richting. Normaal gesproken is een materiaal met die laatste eigenschap niet magnetisch op grotere schaal, omdat de magneetjes elkaar opheffen. Bij een ferrimagnetisch materiaal is dat niet zo, omdat de verschillende magneetjes niet even groot zijn.

Maar wat heeft dat te maken met het omklappen met licht, zul je je afvragen. “De theorie stelt dat het ijzer in de legering als eerste omklapt als we er met een laser op schijnen”, zegt Rasing. “En toch lieten experimenten tot nu toe steeds zien dat het hele materiaal in een keer ompoolt.”

Minder dan een picoseconde

We hebben nu met de experimenten in Stanford aangetoond dat het ijzer inderdaad eerder ompoolt, zij het op enorm kleine tijdschalen. Dat was nog niet eerder waargenomen. De vraag die toen overbleef is hoe het materiaal uiteindelijk in zijn geheel omklapt."

Uit de experimenten bleek dat de omgepoolde ijzer-rijke eilandjes hun magnetisatie kunnen overdragen aan de gadolinium-rijke gebieden. En daarbij krijgen ze hulp van wat Rasing ‘hete elektronen’ noemt. Dit zijn vrije elektronen in het materiaal die door de laserpuls zijn ontstaan. Deze elektronen zorgen voor een overdracht van magnetisatie op een tijdschaal van minder dan een picoseconde.

“Vijf jaar geleden hebben we laten zien dat we magnetisch kunnen schakelen met licht,” laat Rasing weten, “en nu beginnen we eindelijk te begrijpen hoe dit in het materiaal in zijn werk gaat. Maar de theorie is nog niet compleet. Hoe magnetisatie precies werkt op de femtosecondeschaal is nog grotendeels onontgonnen gebied voor de wetenschap.”

Snellere en energiezuinige dataopslag

Hoewel Rasing en collega’s hiermee fundamentele ontdekkingen hebben gedaan kan dit in de praktijk ook van pas komen. “Wij kijken al serieus naar de toepassingen van dit onderzoek”, laat Rasing weten. “Wat we nu kunnen gaan doen is het ontwerpen van materialen waarin we bewust gebruik maken van de snelle en efficiënte overdracht van magnetisatie in zo’n materiaal. Dat zou mogelijk moeten zijn door bijvoorbeeld gaten in de materialen te maken, of door het uit bepaalde lagen op te bouwen.”

Op harde schijven wordt data weggeschreven met een elektromagneet. Dat zou met een laser wellicht veel sneller kunnen.

Zo’n materiaal zou uiteindelijk kunnen dienen als een energiezuinige en supersnelle dataopslag. Het ompolen met behulp van licht zou volgens Rasing zo’n 1000 keer efficiënter kunnen dan met de huidige technieken die gebruik maken van elektromagneten.

“Maar zo ver is het nog niet”, zegt Rasing. We hebben voor een dergelijke toepassing sowieso een materiaal nodig dat magnetisch gezien wat ‘harder’ is. In het huidige materiaal kunnen alleen magnetische domeinen van ongeveer 10 micrometer omgepoold worden. Voor een functionele dataopslag moeten die gebiedjes veel kleiner en toch stabiel zijn.

Aan het einde van dit jaar willen we proberen informatie weg te schrijven en te behouden in gebiedjes van ongeveer 30 nanometer", zegt Rasing terwijl hij grinnikt alsof hij het zelf nauwelijks gelooft. “Dat is een hele uitdaging, maar je moet natuurlijk wel ambities hebben.”

Bron:

  • Graves C.E. et al., Nanoscale spin reversal by non-local angular momentum transfer following ultrafast laser excitation in ferrimagnetic GdFeCo, Nature Materials (17 maart 2013), DOI:10.1038/nmat3597
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 02 april 2013

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.