Robuste Hochleistungs-Datenspeicher durch magnetische Anisotropie

Im thermischen Gleichgewicht gehört Eisen-Platin (FePt) zur Klasse der Invar-Materialien, die sich bei Erhitzung kaum ausdehnen. Dieses Phänomen ist schon im Jahr 1897 bei der Nickel-Eisen Legierung „Invar“ beobachtet worden, aber erst seit wenigen Jahren versteht die Fachwelt, wie es zustande kommt:

Normalerweise führt Erwärmung von Festkörpern zu Gitterschwingungen, die eine Ausdehnung bewirken, weil die vibrierenden Atome mehr Platz brauchen. Erstaunlicherweise führt das Erwärmen der Spins in FePt aber zum gegenteiligen Effekt:

Je wärmer die Spins sind, desto stärker zieht sich das Material entlang der Magnetisierungsrichtung zusammen. Das Resultat ist die von Invar bekannte Eigenschaft: eine minimale Ausdehnung.

Dieses faszinierende Phänomen hat nun ein Team um Prof. Matias Bargheer erstmals an unterschiedlichen Eisen-Platin-Dünnschichten experimentell verglichen. Bargheer leitet eine gemeinsame Forschergruppe am Helmholtz-Zentrum Berlin und der Universität Potsdam.

Gemeinsam mit Kollegen aus Lyon, Brno und Chemnitz wollte er untersuchen, wie sich das Verhalten von perfekt kristallinen FePt-Schichten von den FePt-Dünnschichten unterscheidet, die für HAMR-Speicher verwendet werden. Diese bestehen aus kristallinen Nanokörnern aus übereinandergestapelten einatomaren Lagen von Eisen und Platin, die in eine Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind.

Mit zwei kurz aufeinanderfolgenden Laserpulsen wurden die Proben lokal erhitzt und angeregt, um anschließend durch Röntgenbeugung zu messen, wie stark sich das Kristallgitter lokal ausdehnt oder kontrahiert.

„Wir waren überrascht, dass sich die kontinuierlichen kristallinen Schichten ausdehnen, wenn man sie kurz mit Laserlicht erhitzt, während sich lose angeordnete Nanokörner in der gleichen Kristallorientierung zusammenziehen“, erklärt Bargheer.

„Für die HAMR-Datenspeicher werden dagegen Nanokörner verwendet, die in eine Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind und auf einem Substrat festgewachsen sind: Die reagieren viel schwächer auf die Laseranregung und ziehen sich erst etwas zusammen und dehnen sich dann etwas aus.“

„Wir haben durch diese Experimente mit ultrakurzen Röntgenpulsen feststellen können, wie wichtig die Morphologie, also der genaue Aufbau solcher Dünnschichten ist“, sagt Alexander von Reppert, Erstautor der Studie und Doktorand in der Gruppe um Bargheer. Das Geheimnis ist die Querkontraktion, die auch Poisson-Effekt genannt wird.

„Das kennt jeder, der schon einmal fest auf einen Radiergummi gedrückt hat“, sagt Bargheer. „Das Gummi wird in der Mitte dicker.“ Und von Reppert ergänzt: „Das können die Nanoteilchen auch, während beim perfekten Film kein Platz zur Ausdehnung in der Filmebene ist, die aber für eine spin-getriebene Kontraktion senkrecht zum Film benötigt wird.“

FePt ist also ein ganz besonderes Material. Es hat nicht nur außergewöhnlich robuste magnetische Eigenschaften. Seine thermomechanischen Eigenschaften verhindern auch, dass bei Erhitzung zu starke Verspannungen entstehen, die das Material zerstören würden – und das ist für HAMR wichtig!

Prof. Dr. Matias Bargheer

Forschergruppe Ultraschnelle Dynamik
Universität Potsdam und Helmholtz-Zentrum Berlin

bargheer@uni-potsdam.de

Science Advances (2020): Spin stress contribution to the lattice dynamics of FePt

A. von Reppert, L. Willig, J. Pudell, S. Zeuschner, G. Sellge, F. Ganss, O. Hellwig, J. A. Arregi, V. Uhlíř, A. Crut, M. Bargheer

DOI: 10.1126/sciadv.aba1142

https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=21603;sprache=de;seitenid=… Auf unserer Webseite finden Sie einen kurzen Videoclip, der das Ausdehnungs- und Kontraktionsverhalten unterschiedlicher FePt-Proben zeigt.