Physikforschung Licht polt Magneten um

Forschenden der ETH Zürich und der Universität Basel ist es gelungen, einen besonderen Ferromagneten mithilfe eines Laserstrahls umzupolen. Mit dieser Methode könnten zukünftig anpassbare elektronische Schaltkreise mit Licht erzeugt werden.

In einem Ferromagneten gilt: einzeln schwach, gemeinsam stark. Damit sich eine Kompassnadel nach Norden ausrichtet oder ein Kühlschrankmagnet an der Kühlschranktür haften bleibt, müssen sich die unzähligen Elektronenspins in deren Innerem, die einzeln nur ein winziges Magnetfeld erzeugen, alle in dieselbe Richtung ausrichten. Dies geschieht durch Wechselwirkungen zwischen den Spins, die stärker sein müssen als die ungeordnete thermische Bewegung im Ferromagneten. Liegt die Temperatur des Materials unter einem kritischen Wert, so wird es ferromagnetisch.

Umgekehrt gilt: Um das Magnetfeld eines Ferromagneten umzupolen, muss man ihn normalerweise zunächst über seine kritische Temperatur erwärmen. Dann können sich die Elektronenspins neu orientieren, und nach dem Abkühlen zeigt das Magnetfeld des Ferromagneten schliesslich in eine andere Richtung.

Einem Forschungsteam um Ataç Imamoğlu, Physikprofessor an der ETH Zürich, und Tomasz Smolenski, Professor an der Universität Basel, ist es nun gelungen, eine solche Neuausrichtung allein mithilfe von Licht zu erreichen – ganz ohne Aufheizen. Ihre Ergebnisse dazu haben sie soeben im Fachjournal Nature veröffentlicht.

Wechselwirkungen und Topologie

«Das Spannende an unserer Arbeit ist, dass wir hier die drei grossen Themen der modernen Festkörperphysik in einem Experiment vereint haben: starke Wechselwirkungen zwischen den Elektronen, Topologie und dynamische Kontrolle», sagt Imamoğlu. Dazu verwendeten die Forschenden ein spezielles Material aus zwei hauchdünnen Schichten des organischen Halbleiters Molybdänditellurid, die leicht gegeneinander verdreht sind.

In solchen Materialien können sich sogenannte topologische Zustände bilden. Vereinfacht kann man sagen, dass sich topologische Zustände dadurch charakterisieren lassen, ob sie zum Beispiel wie ein Ball (kein Loch) oder wie ein Teigkringel (ein Loch) aussehen. Dabei ist wichtig, dass sich ein Ball nicht einfach durch Verformung in einen Teigkringel verwandeln lässt und topologische Zustände daher eindeutig und dauerhaft definiert sind.

In den neuen Experimenten, die von Smolenski und Imamoğlu gemeinsam angeleitet wurden, konnten die Elektronen zwischen solchen topologischen Zuständen, die isolierend sind, und metallischen, also leitenden Zuständen umgeschaltet werden. Bemerkenswert ist dabei, dass die Wechselwirkungen die Elektronen in beiden Zuständen dazu bewegen, sich parallel zueinander auszurichten, wodurch das Material zu einem Ferromagneten wird.

«Der Clou ist nun, dass wir mithilfe eines Laserpulses die kollektive Ausrichtung der Spins ändern können», sagt ETH-Doktorand Olivier Huber, der die Experimente zusammen mit seinem Kollegen Kilian Kuhlbrodt und Tomasz Smolenski durchgeführt hat. Das war für einzelne Elektronen schon vor einigen Jahren gelungen, doch neu ist nun das «Umschalten» oder Umpolen des gesamten Ferromagneten. «Dieses Umschalten ist dauerhaft, und zudem beeinflusst die Topologie die Dynamik des Umschaltens», sagt Smolenski.

Dynamische Kontrolle des Ferromagneten

Mit dem Laserpuls können so auch neue Begrenzungslinien gezogen werden, innerhalb derer sich der topologische ferromagnetische Zustand befindet. Dies kann wiederholt geschehen, wodurch eine dynamische Kontrolle der topologischen und ferromagnetischen Eigenschaften des Materials möglich ist. Um nachzuweisen, dass sich der nur wenige Mikrometer grosse Ferromagnet tatsächlich umgepolt hatte, massen die Forschenden die Reflektion eines zweiten, viel schwächeren Laserstrahls, welche Auskunft über die Orientierung der Elektronenspins gab.

«Mit unserer Methode können wir in Zukunft beliebige und anpassbare topologische Schaltkreise auf einem Chip optisch erzeugen», sagt Smolenski. Auf diese Weise könnten dann zum Beispiel winzige Interferometer realisiert werden, mit denen sich extrem kleine elektromagnetische Felder messen lassen.

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