22.09.2021 • Magnetismus

Antiferromagneten auf der Spur

Erstmals antiferromagnetische Probe mittels magnetischer Streuung an einer lasergetriebenen Laborquelle untersucht.

Antiferromagneten besitzen zwar eine magnetische Ordnung, doch löscht sich ihre Magnetisierung nach außen genau aus. Sie sind heiße Kandidaten für die schnellere und energieeffizientere Verarbeitung und Speicherung von Daten. Auf dem Weg dorthin hat unter anderem die magnetische Streuung im weichen Röntgenbereich - eine Kombination aus Spektroskopie und Streuexperiment - direkte Einblicke in die magnetische Ordnung von Antiferromagneten erlaubt und so einen wichtigen Wissensbeitrag geleistet. Entsprechende Experimente konnten bisher jedoch nur an wissenschaftlichen Großgeräten, wie Synchrotrons und Freien-Elektronen-Lasern, durchgeführt werden. Forschern m Max-Born-Institut, dem Forschungszentrum Jülich und dem Helmholtz-Zentrum Berlin ist es jetzt erstmals gelungen, eine antiferromagnetische Probe mittels magnetischer Streuung an einer lasergetriebenen Laborquelle zu untersuchen.

Abb.: Schematischer Aufbau des magnetischen Streuexperiments.... — Abb.: Schematischer Aufbau des magnetischen Streuexperiments. (Bild: MBI)

Dazu nutzten und optimierten sie eine etablierte Technik zur Erzeugung von weicher Röntgenstrahlung – eine lasergetriebene Plasmaquelle. Der verwendete Scheiben-Laser wurde eigens für diese und ähnliche Anwendungen am Max-Born-Institut entwickelt. Dabei werden extrem energiereiche und sehr kurze Lichtblitze aus dem Laser auf einen Metallzylinder aus Wolfram fokussiert. Im Lichtfokus herrschen dabei für die kurze Dauer der Laserpulse Bedingungen wie auf der Sonnenoberfläche und führen zur Erzeugung eines Plasmas. Dieses gibt Licht über einen sehr breiten spektralen Bereich ab. Da das Plasma durch sehr kurze Laserpulse getrieben wird, sind auch die erzeugten Lichtblitze nur unwesentlich länger. Mithilfe einer speziellen Optik, einer Reflexions-Zonenplatte, ist es möglich, ausreichend weiche Röntgenstrahlung dieser Plasmaemission einzusammeln und für magnetische Streuexperimente nutzbar zu machen.

Zur Demonstration des neuen Konzepts hat das Team einen künstlichen Antiferromagneten untersucht. Dieser wurde durch abwechselndes Aufwachsen von mehreren jeweils nur etwa einen Nanometer dicken Schichten aus reinem Eisen und Chrom hergestellt. Dabei sind die Eisenlagen für sich reine Ferromagneten, die sich aber durch eine Kopplung über die Chromlagen hinweg zueinander exakt antiparallel ausrichten. Neben einer strukturellen Periodizität durch die alternierenden Lagen kommt es so auch zu einer antiferromagnetischen Überstruktur, die immer genau zwei Eisenlagen beinhaltet. Beide Periodizitäten können mittels der resonanten Streuung aufgelöst werden und erlauben so einen direkten Einblick in die strukturelle und antiferromagnetische Ordnung im Probensystem.

Die lasergetriebene Plasmaquelle bietet nicht nur ausreichend weiche Röntgenstrahlung für magnetische Streuexperimente im Labor, gleichzeitig sind ihre Lichtblitze auch besonders kurz – nämlich nur wenige Pikosekunden. Dadurch können die oben beschriebenen Messungen auch in einem stroboskopischen Modus durchgeführt werden, um so lichtinduzierte Dynamiken auf Zeitskalen der Pulsdauer untersuchen zu können. Die entsprechenden zeitaufgelösten Messungen an dem künstlichen Antiferromagneten zeigen dabei eindrucksvoll die Vorteile dieses Verfahrens gegenüber aktuellen und zukünftigen Synchrotron-Quellen auf, welche eine zehn Mal schlechtere Zeitauflösung bieten.

MBI / RK