Magnetisering af en jern-vanadium-legering med laserimpulser kaster lys over et lovende fænomen

For at magnetisere et jernsøm skal man blot stryge dens overflade flere gange med en stangmagnet. Alligevel er der en meget mere usædvanlig metode:Et hold ledet af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) opdagede for noget tid siden, at en bestemt jernlegering kan magnetiseres med ultrakorte laserimpulser.

Forskerne er nu gået sammen med Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) for at undersøge denne proces nærmere. De opdagede, at fænomenet også opstår med en anden klasse af materialer - hvilket betydeligt udvider potentielle anvendelsesmuligheder. Arbejdsgruppen præsenterer sine resultater i tidsskriftet Advanced Functional Materials .

Den uventede opdagelse blev gjort tilbage i 2018. Da HZDR-holdet bestrålede et tyndt lag af en jern-aluminiumslegering med ultrakorte laserimpulser, blev det ikke-magnetiske materiale pludselig magnetisk.

Forklaringen:Laserimpulserne omarrangerer atomerne i krystallen på en sådan måde, at jernatomerne rykker tættere på hinanden og danner en magnet. Forskerne var derefter i stand til at afmagnetisere laget igen med en række svagere laserimpulser. Dette satte dem i stand til at opdage en måde at skabe og slette små "magnetiske pletter" på en overflade.

Piloteksperimentet efterlod dog stadig nogle spørgsmål ubesvarede. "Det var uklart, om effekten kun forekommer i jern-aluminiumslegeringen eller også i andre materialer," forklarer HZDR-fysiker Dr. Rantej Bali. "Vi ønskede også at prøve at spore tidsforløbet af processen." For yderligere undersøgelser slog han sig sammen med Dr. Theo Pflug fra LHM og kolleger fra University of Zaragoza i Spanien.

Flip bog med laserimpulser

Eksperterne fokuserede specifikt på en jern-vanadium-legering. I modsætning til jern-aluminium-legeringen med dets regelmæssige krystalgitter, er atomerne i jern-vanadium-legeringen arrangeret mere kaotisk og danner en amorf, glaslignende struktur. For at observere, hvad der sker ved laserbestråling, brugte fysikerne en særlig metode:pumpesonde-metoden.

"Først bestråler vi legeringen med en kraftig laserpuls, som magnetiserer materialet," forklarer Theo Pflug. "Samtidigt bruger vi en anden, svagere puls, der reflekteres på materialets overflade."

Analysen af ​​den reflekterede laserpuls giver en indikation af materialets fysiske egenskaber. Denne proces gentages flere gange, hvorved tidsintervallet mellem den første "pumpe"-impuls og den efterfølgende "sonde"-impuls forlænges kontinuerligt.

Som et resultat opnås en tidsserie af refleksionsdata, som gør det muligt at karakterisere de processer, der udløses af laserexcitationen. "Hele proceduren ligner at generere en flipbog," siger Pflug. "Ligeså en række individuelle billeder, der animerer, når de ses hurtigt efter hinanden."

Hurtig smeltning

Resultatet:Selvom den har en anden atomstruktur end jern-aluminium-forbindelsen, kan jern-vanadium-legeringen også magnetiseres via laser. "I begge tilfælde smelter materialet kortvarigt ved bestrålingspunktet," forklarer Rantej Bali. "Dette får laseren til at slette den tidligere struktur, så der genereres et lille magnetisk område i begge legeringer."

Et opmuntrende resultat:Tilsyneladende er fænomenet ikke begrænset til en specifik materiel struktur, men kan observeres i forskellige atomarrangementer.

Holdet holder også styr på den tidsmæssige dynamik i processen:"Vi ved i hvert fald nu, i hvilke tidsskalaer der sker noget," forklarer Theo Pflug. "Inden for femtosekunder exciterer laserimpulsen elektronerne i materialet. Flere picosekunder senere overfører de exciterede elektroner deres energi til atomkernerne."

Som følge heraf bevirker denne energioverførsel omlægningen til en magnetisk struktur, som stabiliseres af den efterfølgende hurtige afkøling. I opfølgende eksperimenter sigter forskerne på at observere præcis, hvordan atomerne omarrangerer sig selv ved at undersøge magnetiseringsprocessen med intense røntgenstråler.

Sæt på applikationer

Selvom det stadig er i de tidlige stadier, giver dette arbejde allerede indledende ideer til mulige anvendelser:For eksempel er det tænkeligt at placere små magneter på en chipoverflade via laser. "Dette kan være nyttigt til produktion af følsomme magnetiske sensorer, såsom dem, der bruges i køretøjer," spekulerer Rantej Bali. "Den kunne også finde mulige applikationer i magnetisk datalagring."

Derudover forekommer fænomenet relevant for en ny type elektronik, nemlig spintronics. Her bør magnetiske signaler bruges til digitale databehandlingsprocesser i stedet for elektroner, der passerer gennem transistorer som sædvanligt - hvilket giver en mulig tilgang til fremtidens computerteknologi.

Flere oplysninger: Theo Pflug et al., Laser-induceret positions- og kemisk gittergendannelse, der genererer ferromagnetisme, Avancerede funktionelle materialer (2023). DOI:10.1002/adfm.202311951

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres