18.04.2017
Ein neuer Blick auf den Ursprung des Magnetismus
Wie verhält sich ein Ferromagnet beim Übergang in den paramagnetischen Zustand? Die Antwort auf diese Frage ist entscheidend für das Verständnis der quantenmechanischen Ursachen des Magnetismus - und zeigt vielleicht auch einen Weg zu schnelleren Datenspeichern. Mithilfe einer neuartigen Messtechnik ist es nun einem deutsch-amerikanischem Forscherteam gelungen, diese Frage neu zu beantworten.
Auf mikroskopischer Ebene werden die magnetischen Eigenschaften eines Materials im Wesentlichen durch den Elektronen-Spin bestimmt. In der ferromagnetischen Phase richten sich diese Spins gemeinsam in eine bevorzugte Richtung aus, im paramagnetischen Zustand sind sie ungeordnet. Die zum Ordnen der Spins notwendige Energie wird durch die sogenannte Austauschkopplung - eine quantenmechanische Wechselwirkung zwischen den Elektronen - bereitgestellt.
Mithilfe eines innovativen Photoemissions-Experiments unter Nutzung ultrakurzer Laserpulse konnten die Forscher zeigen, dass der Übergang in die paramagnetische Phase in Kobalt durch einen Prozessablauf bestimmt wird, der in der theoretischen Physik als Heisenbergbild bekannt ist: Die Austauschkopplung und das magnetische Moment bleiben zwar lokal erhalten, doch sogenannte Spinfluktuationen heben im Mittel die Nettomagnetisierung auf.
Theoretisch kann der Phasenübergangs vom ferro- in den paramagnetischen Zustand durch zwei Extremfälle beschrieben werden. Nach dem "Stoner-Bild" verschwindet die Austauschkopplung lokal. Nach dem "Heisenberg-Bild" bleibt die Austauschkopplung zwar lokal erhalten, doch es treten Spinfluktuationen auf. In ihren Messungen regten die Wissenschaftler den magnetischen Phasenübergang durch ein Aufheizen der Elektronen im Festkörper mit einem ultrakurzen Laserpuls an. Durch die neue Messtechnik war es zum ersten Mal möglich, das magnetische Verhalten der Elektronen im Festkörper direkt mit einer Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden zu beobachten.
Quelle: Forschungszentrum Jülich - Peter-Grünberg-Institut (PGI)