Skrivning og sletning af magneter med lasere

Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har sammen med kolleger fra Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) og University of Virginia fundet en måde at skrive og slette magneter i en legering ved hjælp af en laserstråle, en overraskende effekt. Procesens reversibilitet åbner nye muligheder inden for materialeforarbejdning, optisk teknologi, og datalagring.

Forskere fra HZDR, et uafhængigt tysk forskningslaboratorium, studerede en legering af jern og aluminium. Det er interessant som prototypemateriale, fordi subtile ændringer i dets atomarrangement fuldstændigt kan transformere dets magnetiske adfærd. "Legeringen besidder en meget ordnet struktur, med lag af jernatomer, der er adskilt af atomatomlag af aluminium. Når en laserstråle ødelægger denne ordre, jernatomerne bringes tættere på hinanden og begynder at opføre sig som magneter, "siger HZDR -fysiker Rantej Bali.

Bali og hans team forberedte en tynd film af legeringen oven på transparent magnesia, hvorigennem en laserstråle blev skinnet på filmen. Når de, sammen med forskere fra HZB, rettet en velfokuseret laserstråle med en puls på 100 femtosekunder (et femtosekund er en milliontedel af en milliarddel af et sekund) mod legeringen, et ferromagnetisk område blev dannet. Optagelse af laserpulser i det samme område igen - denne gang med reduceret laserintensitet - blev derefter brugt til at slette magneten.

Med en enkelt laserpuls ved reduceret intensitet, omkring halvdelen af ​​det tidligere magnetiseringsniveau blev bevaret, og med en række laserpulser, magnetiseringen forsvandt helt. Disse observationer blev foretaget ved HZB-kørt Bessy II-synkrotron ved hjælp af et mikroskop, der anvender bløde røntgenstråler for at studere den magnetiske kontrast.

Forskeren var i stand til at præcisere, hvad der sker i legeringen under denne proces. Simulationerne fra de amerikanske kolleger viser, at den ferromagnetiske tilstand dannes, når den ultrakorte laserpuls opvarmer tyndfilmsmaterialet i det omfang, det smelter hele vejen fra overfladen til magnesia-grænsefladen. Da legeringen afkøles, det bliver en underafkølet væske, forbliver smeltet på trods af, at temperaturen er faldet til under smeltepunktet.

Denne tilstand er et resultat af mangel på nukleationssteder - mikroskopiske steder, hvor atomerne kan begynde at indrette sig i et gitter. Når atomerne bevæger sig rundt i den superafkølede tilstand på jagt efter nukleationssteder, temperaturen fortsætter med at falde. Endelig, atomerne i den afkølede tilstand skal danne et fast gitter, og som i et spil musikalske stole, jern- og aluminiumatomerne ender med at blive fanget i tilfældige positioner inden for gitteret. Processen tager kun et par nanosekunder, og det tilfældige arrangement af atomer gør en magnet.

Den samme laser ved en reduceret intensitet omarrangerer atomerne til en velordnet struktur. Det svagere laserskud smelter kun tynde lag af filmen, skaber en smeltet pool siddende på den faste legering. Inden for et nanosekund efter smeltning, og så snart temperaturen falder under smeltepunktet, den solide del af filmen begynder at vokse frem igen, og atomerne omarrangeres hurtigt fra den uordnede væskestruktur til krystalgitteret. Da gitteret allerede er dannet, og temperaturen stadig er høj nok, atomerne besidder tilstrækkelig energi til at diffundere gennem gitteret og adskilles i lag af jern og aluminium. Ph.d. studerende Jonathan Ehrler opsummerer:"At skrive magnetiske områder, vi skal smelte materialet fra overfladen ned til grænsefladen, mens du vil slette det, vi behøver kun at smelte en brøkdel af det. "

I yderligere forsøg, forskerne ønsker nu at undersøge denne proces i andre ordnede legeringer. De vil også undersøge virkningen af ​​en kombination af flere laserstråler. Interferenseffekter kan bruges til at generere mønstrede magnetiske materialer over store områder. "De bemærkelsesværdigt stærke ændringer af materialeegenskaberne kan meget vel føre til nogle interessante anvendelser, "regner Bali. Lasere bruges til mange forskellige formål i industrien, for eksempel i materialebearbejdning. Denne opdagelse kan også åbne yderligere veje inden for optiske og datalagringsteknologier.