Om een ​​ijzeren spijker te magnetiseren hoef je alleen maar meerdere keren over het oppervlak te strijken met een staafmagneet. Toch is er een veel ongebruikelijkere methode:een team onder leiding van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ontdekte enige tijd geleden dat een bepaalde ijzerlegering kan worden gemagnetiseerd met ultrakorte laserpulsen.

De onderzoekers werken nu samen met het Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) om dit proces verder te onderzoeken. Ze ontdekten dat het fenomeen ook voorkomt bij een andere klasse materialen, wat de potentiële toepassingsmogelijkheden aanzienlijk verruimt. De werkgroep presenteert haar bevindingen in het tijdschrift Advanced Functional Materials .

De onverwachte ontdekking werd in 2018 gedaan. Toen het HZDR-team een ​​dunne laag van een ijzer-aluminiumlegering bestraalde met ultrakorte laserpulsen, werd het niet-magnetische materiaal plotseling magnetisch.

De verklaring:De laserpulsen herschikken de atomen in het kristal zo dat de ijzeratomen dichter bij elkaar komen en zo een magneet vormen. Vervolgens konden de onderzoekers de laag weer demagnetiseren met een reeks zwakkere laserpulsen. Hierdoor ontdekten ze een manier om kleine "magnetische plekjes" op een oppervlak te creëren en te verwijderen.

Het pilot-experiment liet echter nog steeds enkele vragen onbeantwoord. "Het was onduidelijk of het effect alleen optreedt in de ijzer-aluminiumlegering of ook in andere materialen", legt HZDR-natuurkundige Dr. Rantej Bali uit. "We wilden ook proberen de tijdsvoortgang van het proces te volgen." Voor verder onderzoek werkte hij samen met Dr. Theo Pflug van de LHM en collega's van de Universiteit van Zaragoza in Spanje.

Flipboekje met laserpulsen

De experts richtten zich specifiek op een ijzer-vanadiumlegering. In tegenstelling tot de ijzer-aluminiumlegering met zijn regelmatige kristalrooster, zijn de atomen in de ijzer-vanadiumlegering chaotischer gerangschikt, waardoor een amorfe, glasachtige structuur ontstaat. Om te observeren wat er gebeurt bij laserbestraling, gebruikten de natuurkundigen een speciale methode:de pomp-sondemethode.

"Eerst bestralen we de legering met een sterke laserpuls, die het materiaal magnetiseert", legt Theo Pflug uit. "Tegelijkertijd gebruiken we een tweede, zwakkere puls die wordt gereflecteerd op het materiaaloppervlak."

De analyse van de gereflecteerde laserpuls geeft een indicatie van de fysieke eigenschappen van het materiaal. Dit proces wordt meerdere keren herhaald, waarbij het tijdsinterval tussen de eerste "pomp"-puls en de daaropvolgende "sonde"-puls voortdurend wordt verlengd.

Als resultaat wordt een tijdreeks van reflectiegegevens verkregen, die het mogelijk maakt de processen te karakteriseren die worden geactiveerd door de laserexcitatie. "De hele procedure is vergelijkbaar met het genereren van een flipbook", zegt Pflug. "Evenzo een reeks individuele afbeeldingen die bewegen als ze snel achter elkaar worden bekeken."

Snel smelten

Het resultaat:Hoewel het een andere atomaire structuur heeft dan de ijzer-aluminiumverbinding, kan de ijzer-vanadiumlegering ook via laser worden gemagnetiseerd. "In beide gevallen smelt het materiaal kort op het bestralingspunt", legt Rantej Bali uit. "Dit zorgt ervoor dat de laser de vorige structuur wist, zodat in beide legeringen een klein magnetisch gebied ontstaat."

Een bemoedigend resultaat:blijkbaar is het fenomeen niet beperkt tot een specifieke materiaalstructuur, maar kan het worden waargenomen in diverse atomaire arrangementen.

Het team houdt ook de temporele dynamiek van het proces in de gaten:"We weten nu tenminste op welke tijdschalen iets gebeurt", legt Theo Pflug uit. "Binnen femtoseconden exciteert de laserpuls de elektronen in het materiaal. Enkele picoseconden later dragen de aangeslagen elektronen hun energie over aan de atoomkernen."

Bijgevolg veroorzaakt deze energieoverdracht de herschikking in een magnetische structuur, die wordt gestabiliseerd door de daaropvolgende snelle afkoeling. In vervolgexperimenten willen de onderzoekers precies observeren hoe de atomen zichzelf herschikken door het magnetisatieproces te onderzoeken met intense röntgenstraling.

Zicht op applicaties

Hoewel dit werk zich nog in de beginfase bevindt, levert dit werk al de eerste ideeën op voor mogelijke toepassingen:het plaatsen van kleine magneetjes op een chipoppervlak via laser is bijvoorbeeld denkbaar. "Dit zou nuttig kunnen zijn voor de productie van gevoelige magnetische sensoren, zoals die in voertuigen worden gebruikt", speculeert Rantej Bali. "Het zou ook mogelijke toepassingen kunnen vinden in magnetische gegevensopslag."

Bovendien lijkt het fenomeen relevant voor een nieuw type elektronica, namelijk spintronica. Hier zouden magnetische signalen moeten worden gebruikt voor digitale computerprocessen in plaats van dat elektronen zoals gebruikelijk door transistors gaan, wat een mogelijke benadering van de computertechnologie van de toekomst biedt.

Meer informatie: Theo Pflug et al., Laser-geïnduceerde positionele en chemische roosterherschikking die ferromagnetisme genereert, Geavanceerde functionele materialen (2023). DOI:10.1002/adfm.202311951

Journaalinformatie: Geavanceerde functionele materialen

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra