Radboud Universiteit Nijmegen
Publicatie Nature: Magnetisme ultrasnel ultra anders
Datum bericht: 30 maart 2011
De Nijmeegse techniek om magneten in een razendsnel tempo om te polen
heeft een bijzonder fenomeen aan het licht gebracht. Het is volkomen
nieuw en volkomen onverwacht: magnetisme is sneller dan de magnetische
interactie. Nature publiceert de ontdekking op 30 maart 2011.
Aleksei Kimel, onderzoeker Experimentele vaste stof fysica aan de
Radboud Universiteit Nijmegen, gebruikte voor het experiment een dunne
film van een legering van gadolinium en ijzer. Dat materiaal is
anti-ferromagnetisch, wat wil zeggen dat de spins, de magnetische
veldjes van de atomen, tegengesteld zijn gericht. Het materiaal heeft
daardoor als geheel geen magnetisch veld.
De gewone huis-tuin-en-keukenmagneten zijn voorbeelden van
ferromagnetische materialen. Hierin zijn de spins allemaal dezelfde
kant opgericht, waardoor het materiaal een noord- en een zuidpool
heeft.
Ompolen kan snel en dus...
Eerder al ontdekte de groep rond natuurkundige en Spinozawinnaar Theo
Rasing van het Institute for Molecules and Materials (IMM) van de
Radboud Universiteit Nijmegen dat spins met een sterke laserlichtpuls
van slechts 60 femtosecondes waren om te polen. Alexey Kimel: `Dat
ompolen gaat sneller dan de magnetische interactie in het materiaal. We
waren daarom benieuwd wat er dan op die ultrasnelle tijdschaal
gebeurt.'
Magnetische ordening ontstaat doordat elke spin in een materiaal via
een supersterke wisselwerkingskracht is gekoppeld met de spins ernaast.
Deze kracht heeft een kwantummechanische oorsprong en werd ontdekt
dankzij het principe van Pauli (Nobelprijs voor natuurkunde in 1945).
IJzer tien maal sneller
Bij het Helmholtz-Zentrum in Berlijn vond Kimel de juiste faciliteiten
om de richting van de spins snel te kunnen registreren: een bron van
ultrakorte 100 femtoseconde Röntgenpulsen. Met behulp van een ander
bijzonder instrument - atomaire simulaties op een supercomputer -
konden de onderzoekers ook een model voor hun experimentele bevindingen
bouwen.
`Toen we het materiaal bewerkten met laserpulsen, zagen we tot onze
eigen verrassing dat de spins van het ijzer en het gadolinium een
verschillend tempo van ompolen hebben. De magnetisatierichting van
ijzer werd tien keer sneller omgepoold dan gadolinium. Dat betekent dat
het materiaal eventjes ferromagnetisch wordt - alle spins staan dan
immers in dezelfde richting.'
Heel nieuw veld
Deze ultrasnelle dynamica ligt buiten de uitleg die tekstboeken over
magnetisme kunnen geven. Tot nu toe was de theorie van magnetisme
namelijk gebaseerd op de benadering dat verschillende atomaire spins
van een magneet (magnetische subroosters) in evenwicht met elkaar zijn.
Dit heet de 'adiabatische benadering.'
Kimel: `Hier is gewoon nog geen theorie voor. De adiabatische
benadering klopt wel, maar niet op de tijdschaal van de wisselwerking
tussen de spins. Dit resultaat opent een helemaal nieuw
onderzoeksgebied in magnetisme. Toekomstige ultrasnelle magnetische
dataopslag kan op dit nieuwe principe gebaseerd worden. Als straks onze
vrije-elektronenlaser klaar is kunnen we dergelijke experimenten ook
hier in Nijmegen doen, beter zelfs. We hebben nu met een röntgenbron
gewerkt - maar met de ver-infraroodstraling die we hier gaan opwekken
kunnen we nog makkelijker en preciezer meten.'
Naast het HFML, het magneetlab van de Radboud Universiteit, wordt deze
dagen gewerkt aan een nieuw, ondergronds laboratorium waar laserlicht
in het verre-infraroodgebied gebruikt zal worden om materialen te
onderzoeken. Aleksei Kimel zal een van de vaste gebruikers van het lab
worden.
Transient ferromagnetic-like state mediating ultrafast reversal of
antiferromagnetically coupled spins
Nature, advanced online publication woensdag 30 maart
I. Radu ^1,2*, K. Vahaplar ^1, C. Stamm ^2, T. Kachel ^2, N. Pontius
^2, H. A. Dürr ^2,5, T. A. Ostler ^3, J. Barker ^3, R. F. L. Evans ^3,
R. W. Chantrell ^3, A. Tsukamoto ^4,6, A. Itoh ^4, A. Kirilyuk ^1, Th.
Rasing ^1 and A. V. Kimel ^1*
1 Radboud University Nijmegen,Institute for Molecules and Materials,
2 Helmholtz-Zentrum Berlin fv*r Materialien und Energie, BESSY II, DE
3 Department of Physics, University of York, UK
4 College of Science and Technology, Nihon University, Funabashi,
Chiba, Japan
5 SLAC National Accelerator Laboratory, USA
6 PRESTO, Japan Science and Technology Agency
Het onderzoek aan de Radboud Universiteit Nijmegen is mede gefinancierd
door een Vidi-subsidie van NWO voor dr. Aleksei Kimel, de Spinozapremie
van Theo Rasing, het EU-NMP-netwerk "UltraMagnetron", het
EU-ITN-netwerk 'FANTOMAS' en de Stichting FOM. In 2010 ontving Aleksei
Kimel een prestigieuze ERC-Starting Grant van 1.5 miljoen euro.