För att magnetisera en järnspik måste man helt enkelt stryka dess yta flera gånger med en stångmagnet. Ändå finns det en mycket mer ovanlig metod:ett team ledd av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) upptäckte för en tid sedan att en viss järnlegering kan magnetiseras med ultrakorta laserpulser.
Forskarna har nu slagit sig ihop med Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) för att undersöka denna process ytterligare. De upptäckte att fenomenet också förekommer med en annan klass av material - vilket avsevärt breddar potentiella tillämpningsmöjligheter. Arbetsgruppen presenterar sina resultat i tidskriften Advanced Functional Materials .
Den oväntade upptäckten gjordes redan 2018. När HZDR-teamet bestrålade ett tunt lager av en järn-aluminiumlegering med ultrakorta laserpulser, blev det omagnetiska materialet plötsligt magnetiskt.
Förklaringen:Laserpulserna ordnar om atomerna i kristallen på ett sådant sätt att järnatomerna rör sig närmare varandra och bildar en magnet. Forskarna kunde sedan avmagnetisera lagret igen med en serie svagare laserpulser. Detta gjorde det möjligt för dem att upptäcka ett sätt att skapa och radera små "magnetiska fläckar" på en yta.
Pilotexperimentet lämnade dock fortfarande några frågor obesvarade. "Det var oklart om effekten bara inträffar i järn-aluminiumlegeringen eller även i andra material", förklarar HZDR-fysikern Dr Rantej Bali. "Vi ville också försöka spåra processens tidsförlopp." För vidare utredning slog han sig ihop med Dr. Theo Pflug från LHM och kollegor från University of Zaragoza i Spanien.
Experterna fokuserade specifikt på en järn-vanadinlegering. Till skillnad från järn-aluminiumlegeringen med dess regelbundna kristallgitter, är atomerna i järn-vanadinlegeringen mer kaotiska och bildar en amorf, glasliknande struktur. För att observera vad som händer vid laserbestrålning använde fysikerna en speciell metod:pump-probe-metoden.
"Först bestrålar vi legeringen med en stark laserpuls, som magnetiserar materialet", förklarar Theo Pflug. "Samtidigt använder vi en andra, svagare puls som reflekteras på materialytan."
Analysen av den reflekterade laserpulsen ger en indikation på materialets fysikaliska egenskaper. Denna process upprepas flera gånger, varvid tidsintervallet mellan den första "pump"-pulsen och den efterföljande "sond"-pulsen kontinuerligt förlängs.
Som ett resultat erhålls en tidsserie av reflektionsdata, vilket gör det möjligt att karakterisera de processer som utlöses av laserexciteringen. "Hela proceduren liknar att skapa en blädderbok", säger Pflug. "På samma sätt en serie individuella bilder som animeras när de visas i snabb följd."
Resultatet:Även om den har en annan atomstruktur än järn-aluminiumföreningen kan järn-vanadinlegeringen även magnetiseras via laser. "I båda fallen smälter materialet kort vid bestrålningspunkten", förklarar Rantej Bali. "Detta gör att lasern raderar den tidigare strukturen så att ett litet magnetiskt område genereras i båda legeringarna."
Ett uppmuntrande resultat:Fenomenet är tydligen inte begränsat till en specifik materialstruktur utan kan observeras i olika atomarrangemang.
Teamet håller också reda på den tidsmässiga dynamiken i processen:"Vi vet åtminstone nu i vilka tidsskalor något händer", förklarar Theo Pflug. "Inom femtosekunder exciterar laserpulsen elektronerna i materialet. Flera pikosekunder senare överför de exciterade elektronerna sin energi till atomkärnorna."
Följaktligen orsakar denna energiöverföring omläggningen till en magnetisk struktur, som stabiliseras av den efterföljande snabba kylningen. I uppföljande experiment siktar forskarna på att observera exakt hur atomerna ordnar om sig genom att undersöka magnetiseringsprocessen med intensiva röntgenstrålar.
Även om det fortfarande är i ett tidigt skede, ger detta arbete redan initiala idéer för möjliga tillämpningar:Till exempel är det tänkbart att placera små magneter på en chipyta via laser. "Detta kan vara användbart för produktion av känsliga magnetiska sensorer, som de som används i fordon," spekulerar Rantej Bali. "Den kan också hitta möjliga tillämpningar i magnetisk datalagring."
Dessutom verkar fenomenet vara relevant för en ny typ av elektronik, nämligen spintronik. Här bör magnetiska signaler användas för digitala beräkningsprocesser istället för att elektroner passerar genom transistorer som vanligt – vilket erbjuder en möjlig inställning till framtidens datorteknik.
Mer information: Theo Pflug et al, Laser-Induced Positional and Chemical Lattice Reordering Generating Ferromagnetism, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202311951
Journalinformation: Avancerat funktionsmaterial
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
