Im Labor steuern Lichtimpulse Magnetismus ohne Erwärmung

Ein Bit auf einer Festplatte ist ein Fleck Magnetisierung, und es umzuschalten bedeutet, eine winzige Kompassnadel zu drehen. Nun hat ein Team der Universität Illinois gezeigt, dass Laserimpulse diese Magnetisierung innerhalb von Billionstel Sekunden steuern können, und zwar in einem ferromagnetischen Halbleiter namens Chrom-Germanium-Tellurid, kurz CGT.

Die Magnetisierung eines Materials zu verändern bedeutete bisher meist, ein äußeres Magnetfeld anzulegen, das die magnetischen Dipole neu ausrichtet, so wie das Erdmagnetfeld eine Kompassnadel ausschlagen lässt. Der frühere Doktorand der Universität Illinois Yinchuan Lv, heute Postdoc am SLAC National Accelerator Laboratory, sagt, dass diese Verfahren bei der Schaltgeschwindigkeit an praktische Grenzen stoßen. Licht liegt als Alternative nahe, doch Professor Fahad Mahmood weist darauf hin, dass viele optische Techniken auf der Erwärmung des Materials beruhen oder bestimmte Bedingungen brauchen, etwa zirkular polarisiertes Licht.

Das elektrische Feld des Lichts wirkt vor allem über die elektrische Ladung auf die Elektronen und nicht direkt auf die Magnetisierung. In CGT verknüpfen Spin-Bahn-Wechselwirkungen den Spin jedes Elektrons mit seiner Bahnbewegung, wodurch Licht einen Weg in die magnetische Ordnung findet. Der Haken: CGT ist zentrosymmetrisch. Seine Atome sind symmetrisch um einen Mittelpunkt angeordnet, was die einfachste Kopplung zwischen Licht und Magnetisierung ausschließt. Das Team rechnete daher mit einer schwachen Reaktion.

Die Forscher nutzten die Emissionsspektroskopie, ein Verfahren, bei dem ein Material mit Laserimpulsen beschossen und das zurückgesendete Licht gemessen wird. Mit linear polarisierten Nahinfrarotimpulsen sendete die CGT-Probe Terahertz-Licht aus, einen Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarot. Traf das Licht frontal auf, zeigte das Signal bei wechselndem Polarisationswinkel ein vierblättriges Muster, bei schrägem Einfall ein zweiblättriges. Am auffälligsten war, dass das Signal stärker wurde, je höher die Probentemperatur stieg, also genau umgekehrt, wie es ein magnetisches Signal normalerweise tut. Mahmoods Team folgert, dass die Magnetisierung von CGT sehr wahrscheinlich die Quelle der Emission ist.

Vorerst richtet sich die Veränderung an die Forschung. Die Studie nennt weder ein Bauteil noch einen Zeitplan oder Kosten, und sie beschreibt eine Labormessung, die unter anderen Bedingungen erst noch reproduziert werden muss. Was sie bietet, ist ein offener Weg: eine magnetische Reaktion, die nicht von Erwärmung abhängt, in einem Material, von dem man so etwas nicht erwartet hatte. Für die Datenspeicherung ist das die Frage, die das Feld als Nächstes beantworten muss.