Energieeffizientes Schalten in Antiferromagneten

Weniger Energieaufwand und 30-mal schneller

  • Abb. 1: Experimentelle Geometrie der Experimente, mit denen die Dynamik der helikal antiferromagnetischen (links), und der ferromagnetischen Ordnung (rechts) untersucht wurde. Das rote Wellenpaket zeigt den Laserpuls für die initiale Anregung des Systems. Die zeitverzögerte Abfrage der magnetischen Ordnung erfolgt in der antiferromagnetischen Probe mit linear polarisierten, und in der ferromagnetischen mit zirkular polarisierten Röntgenpulsen (blaue Wellenpakete). Abb. 1: Experimentelle Geometrie der Experimente, mit denen die Dynamik der helikal antiferromagnetischen (links), und der ferromagnetischen Ordnung (rechts) untersucht wurde. Das rote Wellenpaket zeigt den Laserpuls für die initiale Anregung des Systems. Die zeitverzögerte Abfrage der magnetischen Ordnung erfolgt in der antiferromagnetischen Probe mit linear polarisierten, und in der ferromagnetischen mit zirkular polarisierten Röntgenpulsen (blaue Wellenpakete).
  • Abb. 1: Experimentelle Geometrie der Experimente, mit denen die Dynamik der helikal antiferromagnetischen (links), und der ferromagnetischen Ordnung (rechts) untersucht wurde. Das rote Wellenpaket zeigt den Laserpuls für die initiale Anregung des Systems. Die zeitverzögerte Abfrage der magnetischen Ordnung erfolgt in der antiferromagnetischen Probe mit linear polarisierten, und in der ferromagnetischen mit zirkular polarisierten Röntgenpulsen (blaue Wellenpakete).
  • Abb. 2: Zeitliches Verhalten der ferro (blau)- und antiferromagnetischen (orange) Ordnung in Dysprosium nach der Laseranregung bei 0 ps (1 ps (Picosekunde) = 1000 fs).
  • Abb. 3: Drehimpulstransferrate nach Anregung mit unterschiedlicher Laserfluenz im Ferro (blau)- und Antiferromagneten (orange)

Auf welche Weise und wie schnell magnetische Ordnung kontrolliert werden kann, ist potentiell von großer technologischer Bedeutung. Denn die Geschwindigkeit mit der Informationen auf magnetischen Datenträgern, wie der Festplatte in unserem Computer gespeichert werden können, hängt im Wesentlichen davon ab, wie schnell die Ausrichtung der magnetischen Bits geändert werden kann. Die einzelnen Bits bestehen aus magnetisch geordneten Materialien in denen die Spins, die Träger der atomaren magnetischen Momente, in die gleiche Richtung zeigen. So entsteht nach außen ein gerichtetes magnetisches Feld, dessen Ausrichtung z. B. von einem Lesekopf einer Festplatte detektiert werden kann. Solch eine Anordnung der Spins nennt man ferromagnetische Ordnung.

Neben ferromagnetischen Materialen gibt es auch Antiferromagneten. Hier sind die einzelnen Spins ebenfalls geordnet, jedoch so zueinander verkippt, dass sich deren magnetische Momente auf kleinstem Raum kompensieren und daher kein äußeres magnetisches Feld erzeugen. Es wurde nun gezeigt, dass sich antiferromagnetische Ordnung bis zu 30-mal schneller und mit weniger Energieaufwand verändern lässt als die entsprechende ferromagnetische Spinordnung [1].

Experiment

Voraussetzung für diese Studie war, beide Arten magnetischer Ordnung unter möglichst gleichen Bedingungen untersuchen zu können. Im Allgemeinen hängt nämlich das Verhalten magnetischer Spindynamik neben der Art der magnetischen Ordnung auch von anderen Material- und Proben-Eigenschaften ab [2]. Ein Vergleich von ferromagnetischer Dynamik in einem Material mit antiferromagnetischem Verhalten in einem anderen Material wird dadurch schwierig. Das Seltenerdmetall Dysprosium eignet sich hingegen hervorragend für solch eine Studie, denn es besitzt eine besondere Eigenschaft: die atomaren Spins sind je nach Temperatur ferro- oder antiferromagnetisch (hier helikal) geordnet, sodass ein direkter Vergleich der Spindynamik anhand desselben Materials und sogar derselben Probe möglich ist.

Experimentell können ferro- und antiferromagnetische Ordnung mithilfe von zirkular polarisierter weicher Röntgenstrahlung untersucht werden. Diese wird nämlich je nach der Spinausrichtung unterschiedlich stark vom magnetischen Material absorbiert bzw.

gestreut. In Streuexperimenten kann dann auf das Ausmaß beider Arten magnetischer Ordnung rückgeschlossen werden [3-5].

Um das zeitabhängige Verhalten magnetischer Ordnung kontrolliert zu studieren, muss diese zunächst durch einen externen Stimulus gestört werden. Dieser Stimulus muss mindestens so kurz sein wie die Zeitskalen, auf denen die Spins miteinander wechselwirken. Diese Spinwechselwirkung kann in weniger als hundert Billiardstel Sekunden (100*1/1015 s) geschehen. Hierzu eignet sich ein ultrakurzer Laserpuls mit einer Dauer von einigen Femtosekunden (1 fs = 1/1015 s). Die Reaktion der Spins auf die Laseranregung lässt sich experimentell mit ebenso kurzen Röntgenpulsen abfragen (Abb. 1). Dabei wird der Zeitabstand zwischen dem anregenden Laserpuls und dem Röntgenpuls variiert, so dass das magnetische Signal zu verschiedenen Zeiten nach der Anregung stroboskopisch aufgezeichnet werden kann. Eine der wenigen Anlagen weltweit, die zirkular polarisierte, ultrakurze Röntgenpulse erzeugt, die für ein solches Experiment benötigt werden, ist die Slicingquelle am Elektronenspeicherring BESSY II des Helmholz-Zentrums-Berlin. [6].

Drehimpulserhaltung bestimmtmagnetische Dynamik

Beobachtet man so die zeitliche Entwicklung der magnetischen Ordnung von Dysprosium nach der Laseranregung, stellt man eine deutliche Abnahme der ferro- und der antiferromagnetischen Ordnung fest (Abb. 2). Allerdings ist die antiferromagnetische Ordnung stärker und anfangs bis zu 30-mal schneller reduziert als die ferromagnetische. Das lässt sich verstehen, wenn man bedenkt, dass die atomaren magnetischen Momente direkt mit dem Drehimpuls der Elektronen verknüpft sind. Der Drehimpuls ist eine physikalische Erhaltungsgröße. Das heißt, dass der Drehimpuls eines Körpers in seinem Betrag und seiner Richtung nur dann verändert werden kann, wenn diese Drehimpulsänderung auf einen anderen Körper übertragen wird. Anschaulich gesprochen: Um einen drehenden Kreisel zu kippen oder seine Drehgeschwindigkeit zu ändern, muss man ein erhebliches Drehmoment aufbringen. Genauso wie der Kreisel verhalten sich die Spins in Dysprosium. In der ferromagnetischen Phase, in der alle Spins in die gleiche Richtung zeigen, kann die Ordnung nur reduziert werden, d.h. die einzelnen Spins nur dann gekippt werden, wenn der dazu erforderliche Drehimpuls abgeführt werden kann; z.B. kann er auf das Kristallgitter übertragen werden. Diese Art von Drehimpulstransfer kostet Zeit und bedingt die verhältnismäßig langsame Dynamik im Ferromagneten. Im Antiferromagneten hingegen sind die atomaren magnetischen Momente so zueinander verdreht, dass sie sich gerade gegenseitig kompensieren. Gedanklich kann man die Spins also einfach umsortieren, um eine Verringerung der magnetischen Ordnung herbeizuführen. Es genügt also ein Drehimpulstransfer innerhalb des magnetischen Systems für die Reduktion der antiferromagnetischen Ordnung. Dieser Prozess läuft offensichtlich schneller ab als der Drehimpulstransfer aus dem System der magnetischen Momente hinaus. Zudem ist bei gleich starker Laseranregung die Geschwindigkeit, mit der der Drehimpuls übertragen wird, im Antiferromagneten deutlich größer (Abb. 3). Es kostest also weniger Energie antiferromagnetische Ordnung zu manipulieren als ferromagnetische.

Ausblick: Energieeffiziente Datenträger

Antiferromagnete weisen kein nach außen gerichtetes Feld auf, sodass das Auslesen mit typischen Festplattenleseköpfen nicht möglich ist. Dennoch könnten mit dem beschriebenen Mechanismus energiesparende und schnellere Datenspeicher realisiert werden. Zum einen gibt es bereits Konzepte, die Ausrichtung von Spins in Antiferromagneten z. B. durch elektrische Ströme zu messen [7]. Alternativ könnte man die Energie herabsenken, die es benötigt ferromagnetische Bits zu schalten, indem man zu ihnen antiferromagnetisch gekoppelte Spins in die Nähe bringt. Diese könnten als Senke für Drehimpuls agieren, in die der Transfer schneller und effizienter stattfindet als in andere Reservoirs.

Autoren
Nele Thielemann-Kühn1, Daniel Schick2, Niko Pontius1 und Christian Schüßler-Langeheine1

Zugehörigkeit
1Abteilung Physik, Helmholtz-Zentrum
Berlin für Materialien und Energie GmbH, Berlin, Deutschland
2Max-Born-Institut, Berlin, Deutschland

Kontakt
Dr. Nele Thielemann-Kühn

Abteilung Physik
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien
und Energie GmbH
Berlin, Deutschland
Nele.thielemann@helmholtz-berlin.de

Referenzen
[1]  N. Thielemann-Kühn, D. Schick, N. Pontius, C. Trabant, R. Mitzner, K. Holldack, H. Zabel, A. Föhlisch and C. Schüßler-Langeheine, Ultrafast and Energy-Efficient Quenching of Spin Order: Antiferromagnetism Beats Ferromagnetism. Phys. Rev. Lett. 119, 197202 (2017)
[2]  A. Kirilyuk, A. V. Kimeland T. Rasing, Ultrafast optical manipulation of magnetic order. Rev. Mod. Phys. 82, 2731 (2010)
[3]  S. W. Lovesey and S. P. Collins, X-ray Scattering and Absorption by Magnetic Materials. Clarendon Press 1996
[4]  H.-Ch. Mertins, D. Abramsohnand, A. Gaupp, F. Schäfers, W. Gudat, O. Zaharko, H. Grimmer and P. M. Oppeneer, Resonant magnetic reflection coefficients at the Fe 2p edge obtained with linearly and circularly polarized soft x rays. Phys. Rev. B 66, 184404 (2002)
[5]  H. Ott, C. Schüßler-Langeheine, E.  Schierle, A. Yu. Grigoriev, V. Leiner H. Zabel, G. Kaindl and E. Weschke, Magnetic x-ray scattering at the M5 absorption edge of Ho. Phys. Rev. B 74, 094412 (2006)
[6]  K. Holldack et al., FemtoSpeX: a versatile optical pump-soft X-ray probe facility with 100 fs X-ray pulses of variable polarization. J. Synchrotron Radiat. 21, 1090 (2014)
[7]  T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley and J. Wunderlich, Antiferromagnetic spintronics. Nature Nanotechnology 11, 231 (2016).

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Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH Abteilung Physik
Hahn-Meitner-Platz 1
14109 Berlin
Deutschland

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