De nieuwste generatie magnetische harde schijven is gemaakt van magnetische dunne films, die invar-materialen zijn. Ze maken een extreem robuuste en hoge gegevensopslagdichtheid mogelijk door lokale verwarming van ultrakleine nanodomeinen met een laser, de zogenaamde warmteondersteunde magnetische opname, of HAM. Het volume in dergelijke invar-materialen zet ondanks verwarming nauwelijks uit. Een technologisch relevant materiaal voor dergelijke HAMR-gegevensgeheugens zijn dunne films van ijzer-platina nanokorrels. Een internationaal team onder leiding van de gezamenlijke onderzoeksgroep van Prof. Dr. Matias Bargheer van de HZB en de Universiteit van Potsdam heeft nu voor het eerst experimenteel waargenomen hoe een speciale spin-rooster interactie in deze ijzer-platina dunne films de thermische uitzetting opheft van het kristalrooster.

In thermisch evenwicht, ijzer-platina (FePt) behoort tot de klasse van invar-materialen, die bij verhitting nauwelijks uitzetten. Dit fenomeen werd al in 1897 waargenomen in de nikkel-ijzerlegering "Invar, " maar het is pas de laatste jaren dat experts in staat zijn te begrijpen welke mechanismen het aandrijven:normaal gesproken, verwarming van vaste stoffen leidt tot roostertrillingen die uitzetting veroorzaken omdat de trillende atomen meer ruimte nodig hebben. Verrassend genoeg, echter, verwarming van de spins in FePt leidt tot het tegenovergestelde effect:hoe warmer de spins zijn, hoe meer het materiaal samentrekt in de richting van de magnetisatie. Het resultaat is de eigenschap die bekend is van Invar:minimale uitbreiding.

Een team onder leiding van prof. Matias Bargheer heeft dit fascinerende fenomeen nu voor het eerst experimenteel vergeleken op verschillende dunne ijzer-platina-films. Bargheer leidt een gezamenlijke onderzoeksgroep bij Helmholtz-Zentrum Berlijn en de Universiteit van Potsdam. Samen met collega's uit Lyon, Brno en Chemnitz, hij wilde onderzoeken hoe het gedrag van perfect kristallijne FePt-lagen verschilt van de dunne FePt-films die worden gebruikt voor HAMR-geheugens. Deze bestaan ​​uit kristallijne nanokorrels van gestapelde mono-atomaire lagen van ijzer en platina ingebed in een koolstofmatrix.

De monsters werden lokaal verwarmd en geëxciteerd met twee laserpulsen snel achter elkaar en vervolgens gemeten met röntgendiffractie om te bepalen hoe sterk het kristalrooster lokaal uitzet of samentrekt.

"We waren verrast om te ontdekken dat de continue kristallijne lagen uitzetten wanneer ze kort worden verwarmd met laserlicht, terwijl losjes gerangschikte nanokorrels samentrekken in dezelfde kristaloriëntatie, " legt Bargheer uit. "HAMR-gegevensgeheugens, anderzijds, waarvan de nanokorrels zijn ingebed in een koolstofmatrix en op een substraat zijn gegroeid, reageren veel zwakker op laserexcitatie:ze trekken eerst een beetje samen en zetten dan iets uit."

Alexander van Repert, eerste auteur van de studie en Ph.D. student in de groep van Bargheer, zegt, "Door deze experimenten met ultrakorte röntgenpulsen, hebben we kunnen vaststellen hoe belangrijk de morfologie van dergelijke dunne films is" Het geheim, hij zegt, is transversale samentrekking, ook wel het Poisson-effect genoemd.

"Iedereen die ooit stevig op een gum heeft gedrukt, weet dit, " zegt Bargheer. "Het rubber wordt dikker in het midden."

Reppert vult aan:"De nanodeeltjes kunnen dat ook, terwijl er in de perfecte film geen ruimte is voor expansie in het vlak, die zou moeten gaan samen met de spin-gedreven contractie loodrecht op de film."

Dus FePt, ingebed in een koolstofmatrix, is een heel bijzonder materiaal. Het heeft niet alleen uitzonderlijk robuuste magnetische eigenschappen. De thermomechanische eigenschappen voorkomen ook dat er overmatige spanning ontstaat bij verhitting, wat het materiaal zou vernietigen - en dat is belangrijk voor HAMR!