Op allerkleinste schaal zijn magneten wanordelijk - en snel
Met behulp van een nieuw soort camera die extreem snelle snapshots maakt met een extreem hoge resolutie is voor het eerst gezien hoe magnetisch materiaal zich op de nanoschaal gedraagt. En dat is wanordelijker dan gedacht, meldde Nature Materials gisteravond. Dit heeft gevolgen voor ons begrip van dataopslag, zegt FOM-werkgroepleider prof.dr. Theo Rasing, een van de auteurs van het artikel.
Voor het transport van magnetische informatie op de kleinst mogelijke schaal blijkt wanorde in het magnetische materiaal van onverwacht groot belang. Dit werd vastgesteld door onderzoekers van de Radboud Universiteit en Stichting FOM samen met internationale collega's. Ze gebruikten een bijzonder meetinstrument, de Linear Coherent Light Source (LCLS), een unieke röntgenlaser van de Stanford University. In essentie is het een camera met zowel een extreem korte sluitertijd, 100 femtoseconde (een tien miljoenste deel van een milliseconde), als een extreem hoge ruimtelijke resolutie van nanometers (een miljardste deel van een meter). Uit de metingen blijkt dat het magnetisch materiaal zich op nanoschaal compleet anders gedraagt dan op macroscopische schaal.
Atoom magneetjes
Elke magneet bestaat op atomaire schaal uit allemaal kleine magneetjes, die spins genoemd worden. Het schakelen van magneten voor dataopslag bestaat uit het omkeren van de magneetrichting van de spins: noordpool wordt zuidpool of vice versa. Het magnetische materiaal in kwestie bevat twee soorten spins, afkomstig van twee verschillende elementen: ijzer (Fe) en gadolinium (Gd). De onderzoekers zagen dat de spins op kleine schaal niet allemaal gelijkmatig verdeeld zijn: er blijken gebieden met meer dan gemiddeld Fe en idem met meer dan gemiddeld Gd – vandaar dat ze spreken over wanordelijke magneten.
Kleiner is sneller
En wat blijkt? Het omschakelen van de magneten begint via supersnel (~10nm/300fs) transport van spins tussen de Fe-gebieden en de Gd-gebieden, waar ze vervolgens via botsingen voor de omdraaiing zorgen. Daardoor neemt, geheel tegen de verwachting in, de magnetisatie van Gd in de eerste honderden femtoseconden zelfs toe, alvorens af te nemen en om te draaien. Dit soort ultrasnelle overdracht van spininformatie was nog nooit waargenomen op zo'n kleine schaal.
De metingen zijn een stap in de richting van heel snelle nanomagneten, waarbij de overdracht van spins is geoptimaliseerd door nanostructurering. Dit biedt perspectief op nog kleinere en nog snellere magnetische dataopslag.
Meer informatie
Bron
Persbericht Radboud Universiteit Nijmegen.
Referentie
C.E. Graves, A.H. Reid, T. Wang, B. Wu, S. de Jong, K. Vahaplar, I. Radu, D.P. Bernstein, M. Messerschmidt, L. Müller, R. Coffee, M. Bionta, S.W. Epp, R. Hartmann, N. Kimmel, G. Hauser, A. Hartmann, P. Holl, H. Gorke, J. H. Mentink, A. Tsukamoto, A. Fognini, J.J. Turner, W.F. Schlotter, D. Rolles, H. Soltau, L. Strüder, Y. Acremann, A.V. Kimel, A. Kirilyuk, Th. Rasing, J. Stöhr, A.O. Scherz, H.A. Dürr, Nanoscale spin reversal by nonlocal angular momentum transfer following ultrafast laser excitation in ferrimagnetic GdFeC, Nature Materials (2013).