Ultrasnel schakelen met anti-ferromagneten
Anti-ferromagnetische materialen kunnen net als 'gewone' magneten informatie opslaan. Met optische methoden is de verandering in het materiaal ook weer uit te lezen. Bovendien kan dit ultrasnel: in vijf picoseconden. Een onderzoekgroep onder leiding van prof. Theo Rasing publiceert deze resultaten 24 juni 2004 in het tijdschrift Nature. De materialen vinden mogelijk toepassingen in de spintronica. Het is voor het eerst dat onderzoek laat zien dat dit type materiaal ook interessant is voor toepassingen.
Magnetisme is al sinds de oudheid bekend, met toepassingen die variëren van het kompas, elektromotoren, koelkastmagneten, muziekcassettes, videobanden tot aan de harde schijf. Al deze toepassingen slaan op het gebruik van ferromagneten, materialen die een permanente magnetisatie hebben. In alle atomen draaien de elektronen dan dezelfde kant op, en alle tolletjes - spin genoemd - staan parallel. De vraag hoe snel een dergelijke magnetisatie geschakeld kan worden, is onderwerp van zeer veel onderzoek, gezien de spectaculaire groei in magnetische dataopslag. Een eerdere publicatie in Nature van de groep onder leiding van Rasing liet zien dat dit kan in ongeveer tweehonderd picoseconden (één picoseconde is een miljoenste van een miljoenste seconde).
Antiferromagnetisme
Verreweg het grootste deel van de magnetisch georiënteerde materialen is anti-ferromagnetisch. De magnetische spins in deze materialen ordenen zich juist antiparallel. De netto magnetisatie is nul. Om deze reden waren anti-ferromagnetische materialen tot voor kort alleen interessant voor puur fundamenteel onderzoek. De publicatie in Nature van 24 juni laat echter zien dat toepassingen goed voorstelbaar zijn.
Om de spinoriëntatie in een anti-ferromagneet te veranderen zijn veel hogere magneetvelden nodig dan voor het veranderen van de spinoriëntatie in een ferromagneet. De verwachting is dat met een sterke veldpuls deze anti-ferromagnetische spins tot wel honderd maal sneller kunnen reageren, zoals er veel energie nodig is om een strakgespannen snaar te laten trillen, maar die beweegt dan wel heel snel.
Dunne lagen schakelen
De onderzoekers van de Katholieke Universiteit Nijmegen, het Ioffe Fysisch-technisch Instituut in Sint Petersburg, Rusland, en de Stichting FOM die nu in Nature publiceren, hebben onderzoek gedaan naar hoe ze de magnetische spin van een dunne laag anti-ferromagnetisch thuliumorthoferriet (TmFeO 3 ) kunnen manipuleren. Ze gebruikten een korte laserpuls om de ijzer- en thuliumionen aan te slaan en zo de spins uit evenwicht te brengen. De laserpuls maakt op deze manier een effectieve magneetveldpuls die extreem kort en heel sterk is, iets dat met gewone magneetvelden nooit mogelijk zou zijn.
Veranderingen aflezen
Vervolgens ontwikkelden de onderzoekers een magneto-optische methode om de verandering van de spins te detecteren. Zij maakten hierbij gebruik van de dubbele breking van licht in het materiaal. Dubbele breking wil zeggen dat het licht langs de ene as anders wordt gebroken dan langs de andere as: dit type materiaal heeft twee brekingsindices. In TmFeO 3 hangt deze dubbele brekingsindex direct af van de stand van de magnetische spins. Hoewel dit optische verschil erg klein is, is het wel te meten, aldus Theo Rasing van de Katholieke Universiteit Nijmegen. Nadat de laserpuls de spins geschakeld heeft, is via het detecteren van de dubbele breking te volgen hoe de spins zich in vijf picoseconden reorganiseren.
Toekomst
De experimenten laten zien dat een zeer korte laserpuls de spins in thuliumorthoferriet in enkele picoseconden kan reoriënteren. Dit biedt perspectieven voor het gebruik van dit type materialen in spintronica, waar anti-ferromagnetische materialen momenteel gebruikt worden voor de stabilisatie van de magnetische geheugens. De Nijmeegse onderzoekers zijn verder aan het werk voor de volgende belangrijke stap: de demonstratie van de ultrasnelle invloed van een anti-ferromagneet op de naastliggende ferromagneet. Het zou een revolutionaire methode zijn om ferromagnetische geheugens ultrasnel te kunnen schakelen.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met prof.dr. Theo Rasing, Katholieke Universiteit Nijmegen in Nijmegen, telefoon: (024) 365 31 02.
Artikel:
A.V. Kimel, A.Kirilyuk, A. Tsvetkov, R. Pisarev and Th. Rasing: Laser-induced ultrafast spin reorientation in the antiferromagnet TmFeO 3 , Nature 24 juni 2004.