Forscher lesen magnetische Strukturen mit Licht aus
Eine einzige Festplatte kann heute dank magnetischer Strukturen mehrere Millionen Megabyte speichern. Doch der Zugriff auf diese geballte Information ist mit Datenraten von einigen hundert Megabyte pro Sekunde noch relativ langsam. Erste Experimente zeigten bereits, dass schnelle elektrische Pulse das Auslesen von Milli- und Mikrosekunden auf wenige Nanosekunden verkürzen könnten. Noch tausendmal schneller wäre das Auslesen mit Licht. Eine erste Grundlage für dieses ultraschnelle Auslesen magnetischer Strukturen innerhalb von Pikosekunden stellen die Physiker aus Dortmund und Dresden in ihrer aktuellen Publikation vor. Dazu nutzten sie unter anderem extrem kurze und intensive Terahertz-Pulse, die von der Strahlungsquelle „ELBE“ am HZDR erzeugt werden, um die Magnetisierung von hauchdünnen Materialproben zu analysieren. Das Material bestand aus zwei Schichten, die jeweils maximal drei Nanometer „dick“ waren und daher von einem Teil der Terahertz-Strahlung durchdrungen werden konnten. Diese partielle Transparenz ist Voraussetzung, um die Magnetisierung mit Licht auszulesen.
In den Experimenten erzeugten die Terahertz-Blitze eine Vielzahl von Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie. Im Zusammenspiel mit weiteren optischen Kurzpulslasern konnte das Team sehr schnelle relativistische Quanteneffekte in den hauchdünnen Schichten sichtbar machen und entschlüsseln. „Nach dem Durchdringen der Probe erhalten die Terahertz-Pulse eine sogenannte Oberschwingung, und genau diese können wir nachweisen und damit die Magnetisierung der unteren Materialschicht innerhalb von Pikosekunden bestimmen“, sagt Dr. Sergey Kovalev von der TU Dortmund, der die Experimente gemeinsam mit Dr. Ruslan Salikhov vom HZDR leitete. Die aktuellen Erkenntnisse sind das Ergebnis einer langjährigen Kooperation zwischen dem Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR und der Arbeitsgruppe von Prof. Zhe Wang an der Fakultät Physik der TU Dortmund. Ein Teil der Experimente fand in Dortmund statt.
Von diesem Erfolg der Grundlagenforschung bis zu einer ultraschnellen Festplatte ist es zwar noch ein sehr weiter Weg, aber es wird bereits daran geforscht, die magnetisch gespeicherten Daten mit Terahertz-Strahlung nicht nur zu lesen, sondern auch zu schreiben. Dazu sind sowohl wesentlich kompaktere Quellen für kurze Terahertz-Pulse als auch leistungsfähige Sensoren für deren Analyse erforderlich.
Zur Publikation in Nature Communications
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