Forschern der Universität Basel und der ETH Zürich ist es gelungen, mithilfe eines Laserstrahls die Polarität eines speziellen Ferromagneten zu ändern. In Zukunft könnten mit dieser Methode anpassungsfähige elektronische Schaltkreise mit Licht erstellt werden.
In einem Ferromagneten wirken vereinte Kräfte. Damit eine Kompassnadel nach Norden zeigt oder ein Kühlschrankmagnet an der Kühlschranktür haftet, müssen sich in ihrem Inneren unzählige Elektronen drehen, von denen jedes nur ein winziges Magnetfeld erzeugt, und alle müssen in die gleiche Richtung ausgerichtet sein. Dies geschieht durch Wechselwirkungen zwischen den Spins, die stärker sein müssen als die ungeordnete thermische Bewegung im Inneren des Ferromagneten. Unterschreitet die Temperatur des Materials einen kritischen Wert, wird es ferromagnetisch.
Umgekehrt muss man einen Ferromagneten normalerweise zunächst über seine kritische Temperatur erhitzen, um die Polarität zu ändern. Die Elektronenspins können sich dann neu ausrichten und nach dem Abkühlen zeigt das Magnetfeld des Ferromagneten schließlich in eine andere Richtung.
Einem Forscherteam um Prof. Dr. Tomasz Smoleński von der Universität Basel und Prof. Dr. Ataç Imamoğlu von der ETH Zürich ist es nun gelungen, eine solche Neuorientierung nur mit Licht-ohne jegliche Erwärmung herbeizuführen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie inNatur.
Interaktionen und Topologie
„Das Spannende an unserer Arbeit ist, dass wir die drei großen Themen der modernen Physik der kondensierten Materie in einem einzigen Experiment kombinieren: starke Wechselwirkungen zwischen den Elektronen, Topologie und dynamische Kontrolle“, sagt Imamoğlu.
Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher ein spezielles Material, das aus zwei hauchdünnen Schichten des organischen Halbleiters Molybdänditellurid besteht, die leicht gegeneinander verdreht sind.
In solchen Materialien können sich sogenannte topologische Zustände ausbilden. Einfach ausgedrückt können topologische Zustände anhand ihres Aussehens charakterisiert werden: einer Kugel (kein Loch) oder einem Donut (ein Loch). Wichtig ist, dass eine Kugel nicht durch einfache Verformung in einen Donut verwandelt werden kann, was bedeutet, dass topologische Zustände eindeutig und dauerhaft definiert sind.
In den neuen Experimenten, die von Smoleński und Imamoğlu gemeinsam betreut wurden, konnten die Elektronen zwischen solchen topologischen Zuständen, die isolierend sind, und metallischen Zuständen, die leitend sind, abgestimmt werden. Bemerkenswerterweise führen Wechselwirkungen dazu, dass sich die Elektronenspins in beiden Zuständen parallel zueinander ausrichten und das Material in einen Ferromagneten verwandeln.
„Unser Hauptergebnis ist, dass wir einen Laserpuls verwenden können, um die kollektive Ausrichtung der Spins zu ändern“, sagt Olivier Huber, Doktorand. Student an der ETH, der die Experimente zusammen mit seinem Kollegen Kilian Kuhlbrodt und Tomasz Smoleński durchführte. Vor einigen Jahren war dies bereits für einzelne Elektronen möglich, nun ist die „Umschaltung“ bzw. Polaritätsänderung des gesamten Ferromagneten gelungen.
„Diese Umschaltung war permanent und außerdem beeinflusst die Topologie die Schaltdynamik“, sagt Smoleński.
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Dynamische Steuerung des Ferromagneten
Auf diese Weise können mit dem Laserpuls auch neue Grenzlinien gezogen werden, innerhalb derer sich der topologische ferromagnetische Zustand befindet. Dies kann wiederholt erfolgen, so dass eine dynamische Steuerung der topologischen und ferromagnetischen Eigenschaften möglich ist.
Um zu zeigen, dass der nur wenige Mikrometer große Ferromagnet tatsächlich seine Polarität geändert hatte, maßen die Forscher die Reflexion eines zweiten, deutlich schwächeren Laserstrahls. Diese Reflexion enthüllte die Ausrichtung der Elektronenspins.
„Mit unserer Methode können wir in Zukunft beliebige und anpassbare topologische Schaltkreise optisch auf einen Chip schreiben“, sagt Smoleński. Mit diesem Ansatz könnten dann winzige Interferometer entstehen, mit denen sich extrem kleine elektromagnetische Felder messen lassen.
