Lichtinduzierte Rotationen von Atomen rufen Magnetwellen hervor

Lichtinduzierte Rotationen der Atome (Spiralen) erzeugen kohärente Bewegungen der Elektronenspins (blaue Pfeile). Bild: J.M. Harms/MPI für Struktur und Dynamik der Materie

Die Kontrolle funktionaler Eigenschaften durch Licht ist eines der großen Ziele moderner Festkörperphysik und der Materialwissenschaften. Eine neue Studie zeigt, wie die ultraschnelle, lichtinduzierte Modulation atomarer Positionen in einem Material zur Kontrolle seiner Magnetisierung verwendet werden kann. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Andrea Cavalleri vom Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie am CFEL in Hamburg verwendete Terahertz-Lichtpulse, um in einem magnetischen Kristall paarweise Gitterschwingungen anzuregen. Diese kurzen Lichtpulse erzeugten eine Rotation der Gitterionen um ihre Ursprungspositionen, welche wie ein ultraschnelles, effektives Magnetfeld auf die Elektronenspins wirkte und somit eine magnetische Welle auf kohärente Weise stimulierte. Diese Erkenntnisse setzen ein wichtiges Zeichen für die Art und Weise der Wechselwirkung von Licht mit Materie und begründen einen neuartigen Ansatz in der Kontrolle von Magnetismus mit Terahertz-Geschwindigkeit. Sie könnten daher für Magnetspeichertechnologien relevant sein. Die Ergebnisse werden heute in der Fachzeitschrift Nature Physics vorgestellt.
Mikroskopische Wechselwirkungen zu verstehen und kollektive Anregungen zu steuern, um Materialfunktionen maßzuschneidern, ist eine treibende Kraft in der Physik der kondensierten Materie und den Materialwissenschaften, sowohl für grundlegende Fragen als auch aus technologischer Perspektive. Chemische Substitution, d.h. der Austausch bestimmter Atome des Kristallgitters durch Atome eines anderen chemischen Elements, oder die Anwendung äußerer Störfaktoren, wie z.B. Druck oder Magnetfelder, gehören zu den konventionellen, statischen Ansätzen zur Veränderung und Beeinflussung von Materialeigenschaften.

Ein konzeptionell anderer Ansatz besteht in der ultraschnellen, dynamischen Modulation von Materialparametern. In diesem Fall hat sich die direkte Anregung von Schwingungen des Kristallgitters in Festkörpersystemen (kollektive Anregungen der Ionen, die man Phononen nennt) durch ultrakurze und ultraintensive Terahertz-Lichtpulse als extrem effiziente Strategie für die Materialkontrolle erwiesen. Die Hamburger Gruppe spielt eine Vorreiterrolle in der Entwicklung dieser als Nichtlineare Phononik bezeichneten Methode. Zu den jüngsten erfolgreichen Beispielen gehören die Kontrolle von Isolator–Metall-Übergängen, das Schmelzen magnetischer Ordnung und die Verstärkung von Supraleitung.

Der Ursprung dieses leistungsfähigen Werkzeugs liegt in der nichtlinearen Natur des Kristallgitters begründet. Dadurch kann ein Phonon, das durch Laserlicht auf große Auslenkungen angeregt wurde, Energie an andere, niederfrequentere Schwingungsmoden übertragen. Diese nichtlineare Phonon–Phonon-Kopplung führt zu einer vorübergehenden, gerichteten und selektiven Verzerrung der Kristallstruktur, d.h. bestimmte Atome des Gitters bewegen sich zeitweise an andere Positionen. Dieser Effekt im extrem wichtig für komplexe Materialien, in denen makroskopische elektronische Eigenschaften eng mit der atomaren Anordnung verknüpft sind.

Spinkontrolle durch kreisende Ionen

Im Bestreben diese Prinzipien zu verallgemeinern und zu zeigen, dass die kohärente Anregung von Phononen nicht nur die Kristallstruktur beeinflussen, sondern auch andere Eigenschaften wie die Magnetisierung direkt kontrollieren kann, hat ein internationales Forscherteam aus Deutschland, den Niederlanden und den USA die Stimulation des magnetischen Materials Erbium-Orthoferrit (ErFeO3) mit Terahertz-Strahlung untersucht.

Zunächst regten die Wissenschaftler ein einzelnes Phonon an und beobachteten die typische Signatur nichtlinearer Phononik, d.h. den Energietransfer zu niederfrequenteren Gitterschwingungen. Die Schlüsselidee, um über diese „konventionelle“ Beobachtung hinauszugehen, war es, die Wirkung zweier verschiedener, orthogonaler Phononen zu kombinieren. Durch die leicht verschiedenen Frequenzen der beiden Moden begannen die Atome des Kristallgitters um ihre ursprünglichen Positionen zu rotieren, was ein zirkular polarisiertes Phononfeld erzeugte. Diese Bewegung führte zu einer dynamischen Modulation des von den Elektronen wahrgenommenen elektrischen Feldes, die ihre Orbitalbewegung störte. Als Konsequenz wurde eine hochfrequente Magnetwelle – eine kollektive Anregung der Elektronenspins – hervorgerufen.

„Dies ist das erste Mal, dass eine direkte und kohärente Kontrolle von Spins durch Gitterschwingungen beobachtet wurde“, sagt Tobia Nova, Doktorand am MPSD in Hamburg und Erstautor der Arbeit. Das Experiment demonstriert erfolgreich, dass ein Energieaustausch zwischen stimulierten Phononen und magnetischen Anregungen bei gleichzeitiger „Verformung“ der Spinanordnung eines Materials möglich ist und somit zu einer ultraschnellen Kontrolle seiner Magnetisierung führt.

Forschungsausblick und mögliche Anwendungen

Die Auslenkung der Magnetwelle skaliert quadratisch mit der elektrischen Feldstärke der Terahertz-Strahlung. Eine moderate Erhöhung der Feldstärke könnte daher zu immenser Phonon-getriebener magnetischer Dynamik und möglicherweise zu magnetischen Schaltvorgängen führen. Da der Effekt im Terahertz-Frequenzbereich erzeugt wird, könnte sich eine Anwendung in neuen Bauteilen ergeben, die mit solch hohen Geschwindigkeiten arbeiten.

Mögliche Anwendungen zirkular polarisierter Phononen könnten sich auch weit über die Kontrolle der Magnetisierung hinaus ergeben. Es konnte bereits gezeigt werden, dass eine zeitabhängige Störung in der Form zirkular polarisierten Lichts Oberflächeneigenschaften in der neuartigen Materialklasse der sogenannten topologischen Isolatoren beeinflusst. Zudem wurde vorhergesagt, dass eine solche Störung entsprechende topologische Zustände in Graphen erzeugen könnte. Auf ähnliche Weise könnte auch Phononen-getriebene Floquet-Physik durch Gitterrotationen erzeugt werden.

Diese Arbeit wurde durch den ERC Synergy Grant „Frontiers in Quantum Materials’ Control” (Q-MAC) und den Exzellenzcluster „The Hamburg Centre for Ultrafast Imaging“ (CUI) ermöglicht. Das Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) ist eine Kooperation von DESY, der Max-Planck-Gesellschaft und der Universität Hamburg. Weitere beteiligte Institutionen sind die Radboud Universiteit in Nijmegen und die University of Michigan.

Literatur

T. F. Nova, A. Cartella, A. Cantaluppi, M. Först, D. Bossini, R. V. Mikhaylovskiy, A. V. Kimel, R. Merlin and A. Cavalleri, “An effective magnetic field from optically driven phonons,” Nature Physics, Advance Online Publication (October 24, 2016), DOI: 10.1038/nphys3925
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