Ultraschnelle Spindynamik – Experimente und Modelle

Zwei mögliche Ansätze zur Erhöhung der Speicherdichte – die wärmeunterstützte Magnetaufzeichnung und die Spintronik – beruhen beide auf der ultraschnellen Manipulation der Informationsträger. Ein Konsortium aus Partnern, die bereits Pionierforschung in diesem Bereich betreiben, rief das Projekt "Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics" (FEMTOSPIN) ins Leben, um unser Verständnis von diesem schnellen Abläufen zu vertiefen.

Erst vor Kurzem wurde demonstriert, dass Prozesse der optischen Spinmanipulation und Magnetisierung erheblich schneller als herkömmliche Verfahren ablaufen, die auf durch elektrischen Strom erzeugten Magnetfeldern beruhen. Modelle, welche die Zeit in verschiedenen Größenordnungen abdecken, sind erforderlich, um die Entwicklung der entsprechenden Geräte zu unterstützen. Um auf der zeitlichen Ebene von Photonen, Elektronen und Spininteraktionen zu agieren, ist die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (DFT) notwendig. Für den Vergleich der Modellierungsergebnisse mit den Versuchsergebnissen müssen außerdem mesoskopische Kontinuummodelle erstellt werden.

Die Wissenschaftler von FEMTOSPIN übertragen mithilfe atomistischer Spinmodelle Informationen von der DFT auf das mesoskopische Modell. Mit der experimentellen Arbeit werden die Modelle verfeinert um letztendlich tiefere Einblicke zu erreichen.

DFT-Berechnung der elektronischen Struktur liefern nun Erkenntnisse über die Mechanismen und Eigenschaften, die der ultraschnellen Magnetisierungsdynamik zugrunde liegen. Insbesondere wird mit Modellen die Rolle des Spintransports bei Magnetisierungsänderungen nach Anwendung eines Laserimpulses beleuchtet. Die Berechnungen der elektronischen Struktur werden dann mathematisch mit den klassischen atomistischen Spinmodellen verbunden. Diese werden dann gemeinsam in die großmaßstäblichen Makrospinmodelle eingespeist, welche ein wichtiges Bindeglied zu den Experimenten darstellen.

Die Modelle erweiterten das Wissen zu zahlreichen zugehörigen Phänomenen. Noch vor dem Start des Projekts lenkte die Entdeckung der thermisch induzierten Magnetisierungsumkehrung (die Umkehrung allein durch einen Wärmeimpuls ohne ein angelegtes Magnetfeld) weltweit Aufmerksamkeit auf die Partner. Nun konnte das Team offenbar den Ursprung dieses Effekts ermitteln. Des Weiteren sagen die Modelle voraus, dass diese wärmebedingte Umkehrung auch bei synthetischen Ferromagneten stattfindet, die aus zwei ferromagnetischen, antiferromagnetisch verbundenen Schichten bestehen. Die experimentelle Überprüfung dieser Vorhersage ist im Gange.

Durch FEMTOSPIN werden wichtige Multiskalenmodelle von Magnetisierungsphänomenen entwickelt, welche durch moderne experimentelle Forschung validiert wurden. Ein umfassenderes Verständnis von den Verhaltensweisen dieser Spin-geordneten Materialien wird zusammen mit der Entwicklung fortschrittlicher Modellierungstools zu einer neuen Generation ultraschneller Magnetspeicherung und Informationsverarbeitung führen.