Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben samen met collega's van het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) en de Universiteit van Virginia een manier gevonden om magneten in een legering te schrijven en te verwijderen met behulp van een laserstraal, een verrassend effect. De omkeerbaarheid van het proces opent nieuwe mogelijkheden op het gebied van materiaalverwerking, optische technologie, en gegevensopslag.

Onderzoekers van de HZDR, een onafhankelijk Duits onderzoekslaboratorium, bestudeerde een legering van ijzer en aluminium. Het is interessant als prototypemateriaal omdat subtiele veranderingen in de atomaire rangschikking het magnetische gedrag volledig kunnen transformeren. "De legering heeft een zeer geordende structuur, met lagen ijzeratomen die worden gescheiden door aluminium atoomlagen. Wanneer een laserstraal deze orde vernietigt, de ijzeratomen worden dichter bij elkaar gebracht en gaan zich als magneten gedragen, ", zegt HZDR-natuurkundige Rantej Bali.

Bali en zijn team maakten een dunne film van de legering bovenop transparante magnesiumoxide waardoor een laserstraal op de film scheen. Wanneer ze, samen met onderzoekers van de HZB, richtte een goed gefocuste laserstraal met een puls van 100 femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste van een seconde) op de legering, een ferromagnetisch gebied werd gevormd. Opnieuw laserpulsen op hetzelfde gebied schieten - dit keer met verminderde laserintensiteit - werd vervolgens gebruikt om de magneet te verwijderen.

Met een enkele laserpuls bij verminderde intensiteit, ongeveer de helft van het vorige magnetisatieniveau werd behouden, en met een reeks laserpulsen, de magnetisatie verdween helemaal. Deze waarnemingen werden gedaan in de door de HZB gerunde Bessy II-synchrotron met behulp van een microscoop die zachte röntgenstralen gebruikt om het magnetische contrast te bestuderen.

De wetenschapper kon duidelijk maken wat er tijdens dit proces in de legering gebeurt. De simulaties van de Amerikaanse collega's laten zien dat de ferromagnetische toestand ontstaat wanneer de ultrakorte laserpuls het dunnefilmmateriaal zodanig opwarmt dat het helemaal van het oppervlak naar het magnesia-interface smelt. Terwijl de legering afkoelt, het wordt een onderkoelde vloeistof, blijft gesmolten ondanks dat de temperatuur onder het smeltpunt is gedaald.

Deze toestand is het resultaat van een gebrek aan nucleatieplaatsen - microscopische locaties waar de atomen zich in een rooster kunnen beginnen te rangschikken. Terwijl de atomen in onderkoelde toestand bewegen op zoek naar nucleatieplaatsen, de temperatuur blijft dalen. Eindelijk, de atomen in onderkoelde toestand moeten een vast rooster vormen, en als in een stoelendans, de ijzer- en aluminiumatomen komen terecht op willekeurige posities in het rooster. Het proces duurt slechts enkele nanoseconden, en de willekeurige rangschikking van atomen maakt een magneet.

Dezelfde laser met een verminderde intensiteit herschikt de atomen in een goed geordende structuur. Het zwakkere laserschot smelt alleen dunne lagen van de film, het creëren van een gesmolten poel zittend op de vaste legering. Binnen een nanoseconde na het smelten, en zodra de temperatuur onder het smeltpunt zakt, het vaste deel van de film begint terug te groeien, en de atomen herschikken zich snel van de ongeordende vloeibare structuur naar het kristalrooster. Met het rooster al gevormd en de temperatuur nog steeds hoog genoeg, de atomen hebben voldoende energie om door het rooster te diffunderen en te scheiden in lagen van ijzer en aluminium. doctoraat student Jonathan Ehrler vat samen:"Om magnetische gebieden te schrijven, we moeten het materiaal van het oppervlak tot aan het grensvlak smelten, terwijl om het te verwijderen, we hoeven er maar een fractie van te smelten."

Bij verdere experimenten, de wetenschappers willen dit proces nu onderzoeken in andere geordende legeringen. Ook willen ze de impact van een combinatie van meerdere laserstralen onderzoeken. Interferentie-effecten kunnen worden gebruikt om magnetische materialen met patronen over grote gebieden te genereren. "De opmerkelijk sterke veranderingen in de materiaaleigenschap kunnen wel eens leiden tot enkele interessante toepassingen, ", meent Bali. Lasers worden voor veel verschillende doeleinden gebruikt in de industrie, bijvoorbeeld bij materiaalverwerking. Deze ontdekking kan ook nieuwe wegen openen in optische en gegevensopslagtechnologieën.