Einem internationalen Team ist es erstmals gelungen, in magnetischen Materialien die Nutation – die Schwingungsbewegungen der Drehachse während der Präzession – von Elektronenspins zu beobachten. Foto: Dunia Maccagni für das HZDR
Terahertz-Quelle in Rossendorf filmt ultraschnellen Tanz der Elektronen
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Dresden, 7. Oktober 2020. Dresdner Physiker und Physikerinnen haben Elektronen bei einem schwingtaumelnden Tanz erwischt, der den Weg zu schnelleren Datenspeichern in den Rechenzentren der Zukunft weisen könnte. Das geht aus einer Mitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf hervor.
Drehen, taumeln und schwingen wie die großen Planeten
Dazu muss man sich in Erinnerung rufen, wie klassische Festplatten eigentlich Texte, Bilder, Videos und andere Daten abspeichern – nämlich als verschieden gepolte, winzig kleine Magneten auf schnell drehenden Scheiben. Diese künstlichen Nanomagneten kann man sich näherungsweise wie Elektronen vorstellen, die sich entweder nach links oder rechts drehen. Diese sogenannten „Spins“ entscheiden darüber, ob ein magnetischer Südpol oder ein Nordpol entsteht. Dabei drehen sie sich nicht ganz akkurat, sondern taumeln etwas. Diesen Taumeleffekt nennt man „Präzession“ und er ist auch bei Spielzeugkreiseln und Planeten wie der Erde zu beobachten. Doch selbst diese Taumelei ist nicht immer ganz gleichmäßig: Manchmal schwingt die Drehachse dabei zusätzlich ein wenig – und dies nennt man dann „Nutation“.
Terahertz-Quelle „Telbe“ arbeitet wie eine Highspeed-Kamera
Die Rossendorfer Forscher und Forscherinnen haben nun ihre schnellste „Kamera“ auf diesen Elektronentanz gerichtet, nämlich ihre Terahertz-Quelle („Telbe“), die von ihrem großen Teilchenbeschleuniger „Elbe“ getaktet wird. Dadurch können sie selbst ultraschnelle subatomare Prozesse sichtbar machen. Und siehe da: Sie erwischten die Elektronen bei solchen Nutationen, die jeweils nur etwa eine Pikosekunde dauern, also Billionstel Sekundenbruchteile.
Mathematiker hatten ein Tempolimit vermutet
Bisherige mathematischen Modelle seien von einer Art „eingebautem Tempolimit“ magnetischer Prozesse bei der Datenspeicherung ausgegangen, erläuterte HZDR-Nachwuchsforscher Nilesh Awari den Stellenwert des geglückten Experiments . „Wir können aber zeigen, dass extrem schnelle Effekte wie die Nutation tatsächlich auftreten und damit eine wichtige Rolle für dynamische Prozesse beim Schreiben von Daten spielen können.“
„Auswirkungen unserer Arbeit erwarten wir unter anderem auf die Datenzentren, die fast die gesamte digitale Information der Menschheit speichern“, ergänzte der italienische Physiker Stefano Bonetti. Er leitet das Projekt zum ultraschnellem Magnetismus, an dem neben dem HZDR auch Forschungseinrichtungen in Italien, Schweden und Frankreich beteiligt sind.
Autor: Heiko Weckbrodt
Quelle: HZDR
Wissenschaftliche Publikation dazu:
K. Neeraj, N. Awari, S. Kovalev, D. Polley, N. Z. Hagström, S. S. P. K. Arekapudi, A. Semisalova, K. Lenz, B. Green, J.-C.Deinert, I. Ilyakov, M. Chen, M. Bawatna, V. Scalera, M. d’Aquino, C. Serpico, O. Hellwig. J.-E. Wegrowe, M. Gensch, S. Bonetti: Inertial spin dynamics in ferromagnets, in Nature Physics, 2020 (DOI: 10.1038/s41567-020-01040-y)
Zum Weiterlesen:
Nobelpreisträger Fert: Spintronik verändert unser Leben
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