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02.05.2018 | Lasertechnik + Photonik | Im Fokus | Onlineartikel

Lichtschalter für Magnetismus entdeckt

Autor:
Dieter Beste

Mit einem Laserstrahl gelang es Forschern, in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen. Der überraschende Effekt ist zudem reversibel.

Seit der experimentellen Realisierung der ersten Lasersysteme, des Rubin-Lasers im Jahre 1960 und des Helium-Neon-Lasers im Jahre 1961, wurde eine Fülle verschiedener Lasersysteme entwickelt. In ihrem Buch "Laser" stellen Hans Joachim Eichler und Jürgen Eichler die allgemeinen physikalischen Grundlagen der Lasertechnik sowie den Aufbau wichtiger heutiger Lasertypen und deren Anwendungsmöglichkeiten vor. Trifft beispielsweise ein Laserstrahl auf Materie, so wird die Strahlenergie absorbiert und das Material erwärmt. In Metallen ändert sich dann das Kristallgefüge und, so führen die Springer-Autoren an, Stahlwerkstoffe lassen sich auf diese Weise mit Laserlicht härten (Seite 397). 

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Anwendungen von Femtosekundenlasern

Eine Revolution hat sich in den letzten 30 Jahren in der Ultrakurzzeit-Messtechnik angebahnt. Die Entwicklung neuer Lasertypen, die Pulse mit einer Dauer von wenigen Piko- oder Femtosekunden aussenden, erlauben, fundamentale Vorgänge in Physik, Chemie oder Biologie unterhalb 10 −9 s bis zu einigen 10 −15 s zu untersuchen, die bisher als nicht messbar galten.


Auch nach inzwischen knapp sechs Jahrzehnten Lasertechnik entdecken Forscher fast täglich neue Effekte der Wechselwirkung von Laserlicht und Materie. Mit einem Laserstrahl in einer Legierung magnetische Strukturen zu erzeugen und anschließend wieder zu löschen – das gelang jetzt Forschern vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Kooperation mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) und der Universität von Virginia in Charlottesville, USA. Wie sie berichten, ist der Effekt sogar reversibel. Da Laser in der Industrie weit verbreitet sind, könnten sich für die Materialbearbeitung, für optische Technologien oder die Datenspeicherung ganz neue Perspektiven eröffnen, heißt es in einer Mitteilung des HZDR. 

Laserstrahl zerstört Gitterordnung

"Die Experimente haben wir mit einer Legierung aus Eisen und Aluminium durchgeführt. Sie wird gerne als Prototyp für das Studium von Magnetisierungsmechanismen gewählt, weil kleinste Änderungen in der Anordnung der Atome das magnetische Verhalten komplett verändern können", erklärt Rantej Bali vom HZDR. Das Material hat eine hochgeordnete Struktur: Die beiden Atom-Sorten sind lagenweise übereinander geschichtet. "Die Aluminium-Atome trennen die Eisenschichten voneinander. Wenn ein Laserstrahl diese Ordnung zerstört, rücken die Eisen-Atome näher zusammen und das Material verhält sich plötzlich wie ein Magnet." 

Um die Wechselwirkung zwischen Laser und Legierung genauer untersuchen zu können, setzte das Forscherteam um Bali eine dünne Schicht aus der Eisen- und Aluminium-Legierung auf einen transparenten Magnesium-Kristall. Am BESSY II-Synchrotron des HZB kann mit einem speziellen Mikroskop und polarisierter Röntgenstrahlung der Effekt eines Laserstrahls auf die magnetische Ordnung der Probe hochgenau vermessen werden (X-Ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD). Sobald die Forscher einen fokussierten Laserstrahl mit einer Pulsdauer von 100 Femtosekunden auf die Legierung richteten, bildete sich dort ein ferromagnetischer Bereich. 

Magnetisierung lässt sich wieder löschen

Später bestrahlten die Wissenschaftler den Bereich erneut, reduzierten allerdings die Energie des Lasers. Dabei zeigte sich, dass die Magnetisierung durch diese Behandlung wieder verschwand: Nach einem ersten Laserpuls war nur noch die Hälfte der Magnetisierung vorhanden. Mit einer Serie von Laserpulsen ließ sich die Magnetisierung sogar vollständig löschen. "Wir sind hier auf ein völlig neues Phänomen gestoßen", sagt Rantej Bali. "Mit einem Laser können wir ferromagnetische Strukturen erzeugen und dies auch wieder rückgängig machen." 

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of Virginia in Charlottesville, USA konnten die Forscher klären, was in der Legierung passiert. Die Simulationen der amerikanischen Kollegen zeigen, dass der kurze Laserpuls das ultradünne Material so stark aufheizt, dass es von der Oberfläche bis zur Magnesium-Schicht schmilzt. Es bildet sich ein flüssiger Bereich in der Legierung, in dem die Atome ihre angestammten Plätze verlassen können. Wenn die Legierung wieder abkühlt, gerät sie in den Zustand einer "unterkühlten Flüssigkeit", das heißt, sie bleibt geschmolzen, obwohl die Temperatur bereits unter dem Schmelzpunkt liegt. Das liegt daran, dass nicht genügend Kristallisationskeime – mikroskopisch kleine Startpunkte, die die Atome benötigen, um sich zum Kristallgitter zu ordnen – vorhanden sind. 

Atome auf der Suche nach Kristallisationskeimen

Während die Atome in diesem unterkühlten Zustand auf der Suche nach Kristallisationskeimen sind, fällt die Temperatur weiter. Die Atome müssen sich in dem Prozess, der nur wenige Nanosekunden dauert, schließlich zu einem festen Kristallgitter zusammenfügen – und nehmen dabei zufällige Plätze ein. So entsteht der Magnet. 

Mit demselben Laser kann man die Magnetisierung wieder rückgängig machen. Dazu muss die Energie des Laserpulses gesenkt werden. Die Legierung schmilzt dann erneut, allerdings nur in einem kleinen Bereich an der Grenzfläche. Beim Abkühlen bilden sich ausreichend Kristallisationskeime. Der unterkühlte Zustand tritt in diesem nur eine Nanosekunde dauernden Prozess nicht auf und die Atome können deshalb wieder auf ihre Gitterplätze zurückwandern und sich in Schichten arrangieren. Jonathan Ehrler, der als Doktorand an den Arbeiten beteiligt war, fasst zusammen: "Zum Schreiben von magnetischen Bereichen müssen wir das Material von der Oberfläche bis zur Basis schmelzen, zum Löschen darf man aber nur einen Teil schmelzen.”

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