Starke Laser magnetisieren Festkörper in Attosekunden

Intensives Laserlicht kann Magnetismus in Festkörpern in wenigen Attosekunden erzeugen – die bislang schnellste vorhergesagte magnetische Reaktion.

Zu diesem Ergebnis kamen Theoretiker des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg, die den Magnetisierungsprozess in verschiedenen 2D- und 3D-Materialien mit Hilfe fortschrittlicher Simulationen untersuchten. Ihre Berechnungen zeigen, dass in Strukturen mit schweren Atomen die durch Laserpulse ausgelöste schnelle Elektronendynamik in Attosekunden-Magnetismus umgewandelt werden kann. Die Arbeit wurde in der Zeitschrift npj Computational Materials veröffentlicht.

Das Team konzentrierte sich auf mehrere 2D- und 3D-Materialsysteme; die Ergebnisse gelten jedoch für alle Materialien, die schwere Atome enthalten. „Schwere Atome sind hier besonders wichtig, weil sie eine starke Spin-Orbit-Wechselwirkung hervorrufen“, erklärt der Hauptautor Ofer Neufeld. „Diese Wechselwirkung ist der Schlüssel zur Umwandlung der lichtinduzierten Elektronenbewegung in Spinpolarisation – mit anderen Worten: In Magnetismus. Andernfalls würde das Licht einfach nicht mit dem Spin der Elektronen wechselwirken.“

Genau wie winzige Kompassnadeln kann man sich auch Elektronen mit einer inneren Nadel vorstellen, die in eine bestimmte Richtung im Raum zeigt, z. B. nach oben oder unten – den sogenannten „Spin“. Die Spinrichtung jedes Elektrons hängt von der chemischen Umgebung ab, also welche Atome es „sehen“ kann und wo sich andere Elektronen befinden. In nichtmagnetischen Materialien drehen sich die Elektronen gleichmäßig in alle Richtungen. Richten sich dagegen die Spins der einzelnen Elektronen so aus, dass sie in dieselbe Richtung zeigen, wird das Material magnetisch.

Die Theoretiker wollten untersuchen, welche magnetischen Phänomene auftreten können, wenn Festkörper mit intensiven, linear polarisierten Laserpulsen wechselwirken, die normalerweise Elektronen auf sehr kurzen Zeitskalen im Inneren der Materie beschleunigen. „Diese Bedingungen sind ein faszinierendes Forschungsgebiet, denn wenn die Laserpulse eine lineare Polarisation haben, geht man normalerweise davon aus, dass sie keinen Magnetismus hervorrufen“, sagt Neufeld. Überraschenderweise zeigten die Simulationen jedoch, dass diese besonders leistungsstarken Laser tatsächlich Materialien magnetisieren, auch wenn der Magnetismus nur vorübergehend ist: Er existiert lediglich für die Dauer des Laserpulses. Die bemerkenswerteste Erkenntnis betrifft jedoch die Geschwindigkeit dieses Prozesses. Die Magnetisierung entwickelt sich in weniger als 500 Attosekunden, was eine Vorhersage für die schnellste magnetische Reaktion überhaupt darstellt. Eine Attosekunde ist im Vergleich zu einer Sekunde so lang wie eine Sekunde im Vergleich zu etwa 32 Millarden Jahren.

Mithilfe fortschrittlicher Computersimulationen zur Erklärung des zugrunde liegenden Mechanismus zeigte das Team, dass das intensive Licht die Spins der Elektronen hin- und herbewegt. Der Laser beschleunigt die Elektronen innerhalb weniger hundert Attosekunden auf kreisförmige Bahnen. Diese starken Spin-Bahn-Wechselwirkungen bestimmen wiederum die Spinrichtungen. Man kann sich den Vorgang wie eine Bowlingkugel vorstellen, die über eine Oberfläche gleitet und dann zu rollen beginnt: In dieser Analogie schiebt das Licht die Kugel umher, und die Spin-Bahn-Wechselwirkungen (eine Kraft, die von den nahegelegenen schweren Atomkernen ausgeht, wenn das Elektron um sie kreist) lassen sie hin und her rollen und magnetisieren sie. Beide Kräfte wirken zusammen, um die Kugel ins Rollen zu bringen.

Die Ergebnisse bieten faszinierende neue Einblicke in die Grundlagen der Magnetisierung, sagt Neufeld: „Wir haben festgestellt, dass es sich um einen hochgradig nichtlinearen Effekt handelt, der durch die Eigenschaften des Lasers gesteuert werden kann. Die Ergebnisse deuten darauf hin, auch wenn sie es nicht eindeutig beweisen, dass die ultimative Geschwindigkeitsgrenze für Magnetismus bei einigen Dutzend Attosekunden liegt, denn das ist die natürliche Geschwindigkeitsgrenze elektronischer Bewegungen.“ Das Verständnis dieser fundamentalen lichtinduzierten Magnetisierungsprozesse in diversen Materialien ist ein entscheidender Schritt zur Entwicklung ultraschneller Speichergeräte und verändert das derzeitige Verständnis von Magnetismus.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Ofer Neufeld, Erstautor: ofer.neufeld@mpsd.mpg.de

Originalpublikation:

https://www.nature.com/articles/s41524-023-00997-7

Weitere Informationen:

https://www.mpsd.mpg.de/724327/2023-04-neufeld-magnetization