Magnetisering tar lengre tid enn å avmagnetisere

Nye funn fra grunnleggende forskning viktig for dataindustrien

Justere fs-laser for magnetiseringsdynamikkeksperimentet i FeRh (FEMTO strålelinje ved SLS) © F. Reiser / Paul Scherrer Institute
lese høyt

Når metalllegeringen jern-rhodium er magnetisert, tar denne prosessen mye lenger tid enn den motsatte prosessen med avmagnetisering. Dette har nå blitt avslørt av et internasjonalt forskerteam i tidsskriftet Physical Review Letters.

Dermed foregår strukturen til magnetismen i to trinn: først dannes små magnetiske regioner, men magnetfeltet i en tilfeldig retning. Først da svinger disse områdene i en felles retning. De nye funnene fra grunnleggende forskning er relevante for dataindustrien, sa forskerne: De viste hvilke prosesser som begrenset egenskapene til magnetisk datalagring og hvor det var potensiale for forbedring.

Fenomenmagnetisme

Magnetisme er et av fenomenene der mennesket opplever naturlige krefter direkte. Barn kobler vogner på trejernbaner med magneter, voksne festet lapper med magneter til kjøleskapet, og i elbiler satte magneter strøm i bevegelse. Fysikere er fascinert av magnetenes kraft siden oppdagelsen i antikken og ønsker å forstå dem. For omtrent 20 år siden oppdaget de hvor lang tid det tar å overføre et materiale fra magnetisk til ikke-magnetisk tilstand.

"Å slå på" magnetismen som ble studert

Forskere fra sveitsiske Paul Scherrer-instituttet (PSI) i Villigen har nå sammen med kolleger fra Tyskland og USA undersøkt den motsatte prosessen, det vil si å "slå på" magnetisme. De kunne vise at det tar omtrent 0, 3 milliarddeler av et sekund før metalllegeringen jern-rhodium er magnetisert.

Dette er en relativt lang tid for forskerne. Fordi "å slå på" magnetisme tar 300 ganger lenger tid enn å "slå av", som de kan bevise med sine eksperimenter. "Det er som å bygge et hus: Det tar mer tid å bygge et hus enn å rive det, " sier PSI-forsker Christoph Quitmann. Han initierte og ledet eksperimentet for fem år siden. utstilling

Magnetisering i to trinn

Forskerne var ikke bare interessert i hvor raskt jern-rhodium endres fra den ikke-magnetiske til den magnetiske tilstanden, men også hvordan magnetismen bygger seg opp i materialet. Hvert jernatom har en såkalt spinn, det oppfører seg som en bitteliten kompassnål. Et materiale er magnetisk hvis alle disse spinnene peker i samme retning. Da legger magnetiske krefter seg opp og blir målbare. Å slå på magnetismen er således prosessen med å bringe spinn - eller atomkompasseråler - som har forskjellige orienteringer i umagnetisert tilstand, i samme retning.

PSI-forskerne kunne vise at magnetiseringsprosessen ikke forløper jevnt, for eksempel fra den ene siden av materialprøven til den andre eller fra sentrum til kanten, men i to faser. Magnetismen oppstår samtidig, men uavhengig i mange små regioner av materialet, den såkalte Dom nen. Senere svinger Dom nen i en felles retning.

I den første fasen av den såkalte nucleation, spinnene til hvert domene i en tilfeldig retning, kan magnetismen til to ulikt justerte Dom nen derfor avbryte. I den andre fasen av den såkalte omorienteringen, roteres spinnene til domenene i en felles retning. Dermed blir magnetkraften ifølge forskerne effektiv eksternt. Kjernefysningen fortsetter relativt raskt, den påfølgende omorienteringen tar lengre tid og bestemmer således den totale varigheten av magnetiseringsprosessen.

Observasjon med røntgenstråler og laserstråler

Forskerne ved PSI brukte synkrotron lyskilde Sveits SLS til sine undersøkelser. Dette er i prinsippet et veldig kraftig mikroskop, som tillater materielle undersøkelser i de minste dimensjoner. For å analysere magnetismen, belyste forskerne materialprøven med en kort puls av en røntgenstråle. Dette avbøyes når du treffer atomene ("bøyd").

Fra graden av distraksjon beregner forskerne avstanden til atomene. Nå blir materialprøven varmet opp med en laserpuls og derved magnetisk. For jern rhodium skjer dette ved 120 C. Etter kort tidsforsinkelse måler nok en røntgenpuls igjen avstanden mellom atomene. Dette er større i magnetisk tilstand. Med et slikt eksperimentelt oppsett kan forskerne observere hvor raskt avstanden mellom atomene øker og dermed umiddelbart forstå hvor mye tid utviklingen av magnetisme tar.

Mer enn bare grunnleggende forskning

De nye funnene kan også ha stor betydning utover grunnleggende forskning. Fordi uansett hvor datadata blir lagret i lang tid, skjer det magnetisk. For å få ut lagringskapasiteten er det nødvendig med materialer der magnetiseringen skjer så raskt som mulig.

Jern rhodium, som PSI-forskerne har jobbet med, diskuteres for neste generasjon datamaskinens harddisker. "Vi undersøker hva de fysisk begrensende prosessene er når det gjelder ytterligere miniatyrisering av datalagring eller økt hastighet, " sier PSI-forsker Quitmann.

Han og kollegene vil undersøke ytterligere materialer for magnetiseringsegenskapene sine i fremtiden. Fra og med 2016 vil de i tillegg til SLS bruke røntgenlaser SwissFEL, det nye, enda kraftigere storstilt forskningsanlegg på PSI, som for tiden er under bygging. (Physical Review Letters, 2012; DOI: 10.1103 / PhysRevLett.108.087201)

(Paul Scherrer Institute (PSI), 05.03.2012 - DLO)