Laserinduzierte Magnetisierung in Femtosekunden
Die Verwendung von numerischen Simulationen auf atomarer Ebene führte zu wertvollen Einblicken in die Abläufe der ultraschnellen Magnetisierung. Die Ergebnisse lieferten einen grundlegenden Formalismus, um die Physik der Anregung ferromagnetischer Materialien durch Laserpulse auf der Zeitskala von wenigen Femtosekunden zu verstehen. Allerdings ergaben sich dabei auch viele wichtige Fragen. Im Rahmen des EU-geförderten Projekts FEMTOSPIN (Multiscale modelling of femtosecond spin dynamics) entwickelten weltweit führende Forschungsgruppen in Deutschland, Ungarn, Spanien, Schweden und dem Vereinigten Königreich neue theoretische Modelle von ultraschnellen Prozessen. Parallel dazu führten Forscher in Deutschland, den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich in innovativen Experimenten eine detaillierte Prüfung der Modellvorhersagen durch. Ziel war es, ein besseres Verständnis der physikalischen Prozesse zu gewinnen, die der Entwicklung von komplett optischen Technologien für die Datenspeicherung mittels Festplatten zugrunde liegen. Die ultraschnelle Manipulation von Informationsträgern könnte nicht nur extrem hohe Aufzeichnungsdichten, sondern auch wesentlich höhere Datenraten möglich machen. Dieser Teil des Projekts wurde vom Industriepartner betreut. Modelle für eine Vielzahl von Zeitrahmen sind notwendig, um die Entwicklung einer solchen rein optischen Technologie zu unterstützen. Für die Betrachtung der Zeitskala von Photonen, Elektronen und Spin-Wechselwirkungen musste die zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie (DFT) herangezogen werden. Für den Vergleich der Modellergebnisse mit experimentellen Ergebnissen waren mesoskopische Kontinuumsmodelle erforderlich. DFT-Berechnungen der elektronischen Struktur beleuchten die Rolle des Spinntransports bei Magnetisierungsänderungen nach Anwendung eines ultrakurzen Laserpulses. Die Berechnungen der elektronischen Struktur werden dann mathematisch mit klassischen atomistischen Spinmodellen verknüpft. Zusammen werden diese dann in die großen Makro-Spinnmodelle eingespeist, welche die fehlende Verbindung zu den Experimenten bilden. Dieser Multiskalenansatz lieferte Erkenntnisse zu zahlreichen verwandten Phänomenen und führte etwa zur Entdeckung des Ursprungs von thermisch induziertem Magnetisierungsswitching durch das Team von FEMTOSPIN. Darüber hinaus prognostizierten Modelle, dass eine wärmegetriebene Umkehr in synthetischen Ferrimagneten stattfindet, die aus zwei antiferromagnetisch gekoppelten ferromagnetischen Schichten bestehen. Versuche konnten diese Vorhersage bestätigten. FEMTOSPIN entwickelte einen Multiskalenansatz zur Modellierung von Magnetisierungsphänomenen, der durch experimentelle Forschung validiert wurde. Ein besseres Verständnis der Verhaltensweisen von Spin-geordneten Materialien durch die Entwicklung fortschrittlicher Modellierungstools wird zu einer neuen Generation von Geräten für die ultraschnelle magnetische Informationsspeicherung führen.
Schlüsselbegriffe
Ultraschneller Magnetismus, atomistische Simulationen, elektronische Struktur, FEMTOSPIN, skalenübergreifende Modellierung, Aufzeichnungsdichte, DFT
