Laserinduzierte Magnetisierung: Ein revolutionärer Ansatz in der Materialwissenschaft

von Amir Hussein
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laser-induced magnetization

Wenn ein starker Laserimpuls auf eine Eisenlegierung gerichtet wird, schmilzt der Zielbereich kurzzeitig und es entsteht eine kleine magnetische Zone. Dieser Befund wird dem HZDR / Sander Münster zugeschrieben.

Eine gemeinsame Studie hat ergeben, dass kurze, intensive Laserpulse eine Magnetisierung in Eisenlegierungen induzieren können. Dieser Fortschritt hat erhebliche Auswirkungen auf die Magnetsensortechnologie, die Datenspeicherung und den Bereich der Spintronik.

Um einen Eisennagel zu magnetisieren, muss man ihn traditionell mit einem Stabmagneten reiben. Doch Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben in Zusammenarbeit mit dem Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) eine unkonventionelle Methode entwickelt: Sie nutzen ultrakurze Laserpulse auf bestimmte Eisenlegierungen, um eine Magnetisierung zu induzieren. Ihre Forschung erstreckt sich auf verschiedene Materialklassen und erweitert möglicherweise den Anwendungsbereich. Diese Ergebnisse werden in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Innovationen in Magnetisierungstechniken

Diese überraschende Entdeckung stammt aus dem Jahr 2018. Das HZDR-Team fand heraus, dass sich das nichtmagnetische Material in ein magnetisches umwandelte, wenn eine Eisen-Aluminium-Legierungsschicht ultrakurzen Laserpulsen ausgesetzt wurde. Durch die Laserpulse wird die Atomstruktur neu angeordnet, wodurch sich Eisenatome enger zusammenballen und einen Magneten bilden. Anschließend könnten die Forscher die Magnetisierung mit schwächeren Laserpulsen umkehren und so kleine magnetische Bereiche auf einer Oberfläche erzeugen und löschen.

Das erste Experiment warf mehrere Fragen auf. Dr. Rantej Bali vom HZDR wollte herausfinden, ob dieser Effekt ausschließlich bei der Eisen-Aluminium-Legierung auftritt oder auf andere Materialien anwendbar ist. In Zusammenarbeit mit Dr. Theo Pflug von LHM und Kollegen von der Universität Zaragoza erweiterten sie ihre Forschung.

Untersuchung der Magnetisierung mit Laserpulsen

Ihr Fokus verlagerte sich auf eine Eisen-Vanadium-Legierung, die im Gegensatz zur strukturierten Eisen-Aluminium-Legierung eine ungeordnetere, amorphe Atomanordnung aufweist. Sie nutzten die Pump-Probe-Methode, um die Auswirkungen der Laserbestrahlung zu überwachen.

„Wir magnetisieren die Legierung mit einem starken Laserpuls und reflektieren gleichzeitig einen schwächeren Puls von der Materialoberfläche“, erklärt Theo Pflug. Die Reflexionspulsanalyse hilft, die physikalischen Eigenschaften des Materials zu ermitteln. Dieser Vorgang wird wiederholt, wodurch das Intervall zwischen dem ersten und den nachfolgenden Impulsen verlängert wird, wodurch ein sequenzieller Reflexionsdatensatz entsteht, der die laserausgelösten Prozesse veranschaulicht.

Schnelles Schmelzen und magnetische Bildung

Die Forschung ergab, dass die Eisen-Vanadium-Legierung trotz ihrer unterschiedlichen Atomstruktur durch Laserbelichtung magnetisiert werden konnte. „Bei beiden Legierungen schmilzt der Laserpuls das Material an der Einstrahlungsstelle kurzzeitig auf, wodurch die bisherige Struktur gelöscht wird und ein kleiner magnetischer Bereich entsteht“, erklärt Rantej Bali.

Dies weist darauf hin, dass solche magnetischen Phänomene in verschiedenen Atomstrukturen auftreten können.

Das Team analysiert auch den zeitlichen Ablauf dieser Prozesse. „Wir verstehen jetzt den Zeitrahmen dieser Ereignisse“, fügt Theo Pflug hinzu. Der Laserpuls regt zunächst die Elektronen an, die innerhalb von Pikosekunden Energie auf die Atomkerne übertragen. Dieser Energietransfer führt zur Bildung einer magnetischen Struktur, die dann durch schnelles Abkühlen stabilisiert wird. Zukünftige Experimente werden sich auf die Beobachtung der Atomumlagerung während der Magnetisierung mithilfe intensiver Röntgenstrahlung konzentrieren.

Mögliche Anwendungen in Sicht

Obwohl sich diese Forschung noch im Entwicklungsstadium befindet, deutet sie auf mögliche Anwendungen hin. Beispielsweise könnte die Verwendung von Lasern zur Platzierung winziger Magnete auf einer Chipoberfläche von Vorteil bei der Herstellung magnetischer Sensoren in Fahrzeugen und der magnetischen Datenspeicherung sein.

Dieses Phänomen könnte auch in der Spintronik eine Rolle spielen, wo magnetische Signale Elektronen in Transistoren für digitale Computer ersetzen könnten und so den Weg für zukünftige Computertechnologie ebnen.

Referenz: „Laser-Induced Positional and Chemical Lattice Reordering Generating Ferromagnetism“ von Theo Pflug, Javier Pablo-Navarro, Md. Shabad Anwar, Markus Olbrich, César Magén, Manuel Ricardo Ibarra, Kay Potzger, Jürgen Faßbender, Jürgen Lindner, Alexander Horn und Rantej Bali, 21. November 2023, Fortschrittliche Funktionsmaterialien.
DOI: 10.1002/adfm.202311951

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur laserinduzierten Magnetisierung

Was ist die wichtigste Entdeckung bei der laserinduzierten Magnetisierung?

Eine Studie hat ergeben, dass ultrakurze Laserpulse Eisenlegierungen magnetisieren können, was erhebliche Auswirkungen auf die Magnetsensorik, Datenspeicherung und Spintronik hat.

Wie funktioniert die laserinduzierte Magnetisierung?

Bei der laserinduzierten Magnetisierung wird eine Eisenlegierung an der bestrahlten Stelle mit einem starken Laserpuls kurzzeitig geschmolzen, wodurch sich die Atome neu anordnen und einen kleinen magnetischen Bereich bilden.

Was sind die möglichen Anwendungen dieser Entdeckung?

Diese Technik könnte zur Herstellung empfindlicher Magnetsensoren für Fahrzeuge, in der magnetischen Datenspeicherung und in der Spintronik für digitale Rechenprozesse eingesetzt werden.

Wer hat diese Forschung zur laserinduzierten Magnetisierung durchgeführt?

Die Forschung wurde von einem Team des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und des Laserinstituts Hochschule Mittweida (LHM) durchgeführt.

Welche Materialien sind von diesem laserinduzierten Magnetisierungsprozess betroffen?

Ursprünglich wurde der Prozess in einer Eisen-Aluminium-Legierung beobachtet, weitere Untersuchungen zeigten jedoch, dass er auch auf Eisen-Vanadium-Legierungen mit unterschiedlichen Atomstrukturen anwendbar ist.

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5 Kommentare

Emily R. Dezember 19, 2023 - 6:56 pm

Ich habe darüber in einem anderen Artikel gelesen, dort hieß es, es könnte die Datenspeicherung grundlegend verändern, aber ich bin mir nicht ganz sicher, wie es funktioniert?

Antwort
John Smith Dezember 19, 2023 - 10:34 pm

Wow, das ist wirklich etwas, oder? Eisen wird nur durch Laserimpulse magnetisiert? Die Wissenschaft ist heutzutage verrückt

Antwort
LaserLover Dezember 20, 2023 - 3:25 am

Ich muss es lieben, wie Laser heutzutage für alles verwendet werden, von der Medizin bis hin zur Herstellung von Magneten. Einfach super!

Antwort
MagneticMike Dezember 20, 2023 - 8:33 am

Interessante Forschung, aber was ist mit den Kosten einer solchen Technologie? Es scheint, dass die Implementierung in großem Maßstab teuer wäre.

Antwort
TechGuru99 Dezember 20, 2023 - 9:52 am

Wenn ich das richtig verstehe, ordnet der Laser Atome neu an, um Magnete zu erzeugen? Das ist ziemlich cool, klingt aber auch komplex.

Antwort

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