Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har tillsammans med kollegor från Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) och University of Virginia hittat ett sätt att skriva och radera magneter i en legering med hjälp av en laserstråle, en överraskande effekt. Processens reversibilitet öppnar nya möjligheter inom materialbearbetning, optisk teknik, och datalagring.

Forskare vid HZDR, ett oberoende tyskt forskningslaboratorium, studerat en legering av järn och aluminium. Det är intressant som prototypmaterial eftersom subtila förändringar av dess atomarrangemang helt kan förändra dess magnetiska beteende. "Legeringen har en mycket ordnad struktur, med lager av järnatomer som separeras av aluminiumatomlager. När en laserstråle förstör denna ordning, järnatomerna bringas närmare varandra och börjar bete sig som magneter, "säger HZDR -fysikern Rantej Bali.

Bali och hans team förberedde en tunn film av legeringen ovanpå transparent magnesia genom vilken en laserstråle lyste på filmen. När de, tillsammans med forskare från HZB, riktade en väl fokuserad laserstråle med en puls på 100 femtosekunder (en femtosekund är en miljonedel av en miljarddel av en sekund) mot legeringen, ett ferromagnetiskt område bildades. Att skjuta laserpulser på samma område igen - denna gång med reducerad laserintensitet - användes sedan för att radera magneten.

Med en enda laserpuls med reducerad intensitet, ungefär hälften av den tidigare magnetiseringsnivån behölls, och med en serie laserpulser, magnetiseringen försvann helt. Dessa observationer gjordes vid den HZB-körda Bessy II-synkrotronen med ett mikroskop som använder mjuka röntgenstrålar för att studera den magnetiska kontrasten.

Forskaren kunde klargöra vad som händer i legeringen under denna process. Simuleringarna av de amerikanska kollegorna visar att det ferromagnetiska tillståndet bildas när den ultrakorte laserpulsen värmer upp tunnfilmsmaterialet i den utsträckning att det smälter hela vägen från ytan till magnesiagränssnittet. När legeringen svalnar, det blir en underkyld vätska, kvarvarande smält trots att temperaturen sjunkit under smältpunkten.

Detta tillstånd är resultatet av brist på kärnbildningsställen - mikroskopiska platser där atomerna kan börja ordna sig i ett galler. När atomerna rör sig i underkyld tillstånd på jakt efter kärnbildningsplatser, temperaturen fortsätter att sjunka. Till sist, atomerna i det överkylda tillståndet måste bilda ett fast gitter, och som i ett spel med musikstolar, järn- och aluminiumatomerna hamnar fångade i slumpmässiga positioner inom gallret. Processen tar bara några nanosekunder, och det slumpmässiga arrangemanget av atomer gör en magnet.

Samma laser med reducerad intensitet omarrangerar atomerna till en välordnad struktur. Det svagare laserskottet smälter bara tunna lager av filmen, skapa en smält pool som sitter på den fasta legeringen. Inom en nanosekund efter smältning, och så snart temperaturen sjunker under smältpunkten, den fasta delen av filmen börjar växa igen, och atomerna omarrangeras snabbt från den störda vätskestrukturen till kristallgitteret. Med gitteret redan bildat och temperaturen fortfarande är tillräckligt hög, atomerna har tillräcklig energi för att diffundera genom gallret och separeras i lager av järn och aluminium. Ph.D. studenten Jonathan Ehrler sammanfattar:"För att skriva magnetiska områden, vi måste smälta materialet från ytan ner till gränssnittet, medan du tar bort det, vi behöver bara smälta en bråkdel av det. "

I ytterligare experiment, forskarna vill nu undersöka denna process i andra beställda legeringar. De vill också utforska effekten av en kombination av flera laserstrålar. Störningseffekter kan användas för att generera mönstrade magnetiska material över stora områden. "De anmärkningsvärt starka förändringarna av materialegenskapen kan mycket väl leda till några intressanta tillämpningar, "räknar Bali. Lasrar används för många olika ändamål inom industrin, till exempel vid materialbehandling. Denna upptäckt kan också öppna ytterligare vägar inom optisk och datalagringsteknik.