Ultraschnelle laserinduzierte Magnetisierung

Bereits eine sehr geringe Umordnung der Gitterstruktur eines Materials kann lokale Veränderungen der funktionellen optischen und magnetischen Eigenschaften auslösen. Eine solche Neuanordnung kann beispielsweise mittels gepulster Femtosekunden-Laserbestrahlung erreicht werden. Allerdings sind die dabei zugrundeliegenden Prozesse sowie deren zeitliche Abläufe bisher noch nicht vollständig verstanden. Forschende des Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) und des Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) haben deswegen die laserinduzierte atomare Umordnung und den damit einhergehenden laserinduzierten Ferromagnetismus in dünnen Eisenlegierungen mit stark unterschiedlichen atomaren Anordnungen (zum einen das kristalline Fe₆₀Al₄₀, zum anderen das amorphe Fe₆₀V₄₀) untersucht. Die Änderung der transienten optischen Eigenschaften nach Bestrahlung mit einzelnen Femtosekundenpulsen wurde dafür mittels Pump-Probe-Messtechnik zeitaufgelöst detektiert. Die finale atomare Struktur wurde anschließend von Kolleg:innen der Universität Saragossa in Spanien mittels TEM charakterisiert. Trotz der stark unterschiedlichen ursprünglichen atomaren Anordnungen konvergiert die Struktur beider Systeme zu einem kristallinen, aber stöchiometrisch ungeordneten Zustand, welcher in beiden Fällen von einsetzendem Ferromagnetismus begleitet wurde. Die zeitlich aufgelösten Messungen des transienten Reflexionsgrades zeigten in Verbindung mit Simulationen der Elektronen- und Phononentemperatur, dass die Umordnungsprozesse durch die Bildung eines transienten geschmolzenen Zustands mit einer ungefähren Lebensdauer von 200 Pikosekunden erfolgen. Diese Erkenntnisse liefern Einblicke in grundlegende Prozesse bei der laserinduzierten Magnetisierung verschiedener Legierungen und ebnen den Weg zur gezielten Steuerung der Materialeigenschaften innerhalb des Pikosekundenbereichs.

Die Forscher Dr. Rantej Bali (HZDR), Dr. Theo Pflug (LHM) und Prof. Alexander Horn (LHM) stellen die Ergebnisse zusammen mit ihren Koautoren im Fachjournal Advanced Functional Materials vor (DOI: 10.1002/adfm.202311951).

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