Ultrasnabb volymförändring upptäckt hos magnetiska material

2018-01-31

Alla magnetiska material uppvisar en volymförändring om deras magnetisering ändras, men hur processen går till på de kortaste tidskalorna är fortfarande en gåta. I ett internationellt samarbete med både experimentell och teoretisk forskning har man nu lyckats komma ett steg närmare svaret. De nya rönen har publicerats i tidskriften Nature Communications.

För att förstå hur magnetisk volymändring uppstår inom femtosekundsområde (10-15s)  behövs både nya mätmetoder och nyskapande teori. Det forskarna nu lyckats mäta är hur volymen hos nanopartiklar av järn-platina förändras genom att ändra materialets spinnmagnetiska tillstånd, så kallad magnetostriktion, på ultrakorta tidskalor, inom pikosekunder (10-12 s).

Uppsalaforskaren Hermann Dürr har tillsammans med forskare från USA, Japan, Tyskland och Tjeckien och även företag, som IBM och Western Digital, använt en ny experimentell teknik, så kallad ultrasnabb elektronspridning, för att kunna mäta dynamiska längdförändringar i alla tre dimensioner. Elektronpulser, kortare än 100 femtosekunder, skickas på nanopartiklarna av järn-platina och en tredimensionell tomografi av hur elektronerna sprider sig avbildas på detektorskärmen.

Den experimentella tekniken innebär att en ultrakort laserpuls skickas på nanopartiklarna av järn-platina, som då tappar sin spinnmagnetisering på grund av att elektronerna i materialet exciteras och materialet hamnar i ett icke-jämviktsläge. Därefter skickas elektronpulser, som är så korta som 100 femtosekunder, på materialet och för första gången har man nu, med hjälp av att avläsa hur elektronerna sprider sig, kunnat mäta de dynamiska längdsvängningar som uppstår på grund av att materialet tappat sin spinnmagnetisering.

Uppsalafysikerna Pablo Maldonado och Peter Oppeneer har parallellt med detta utvecklat en ny teori som ger detaljerad förståelse för hur ultrasnabb magnetostriktion uppstår ifrån dynamiska processer mellan elektroner, gitteratomer av järn- och platina och spinnmagnetisering som är i icke-termisk jämvikt med varandra. Att kunna förklara gitter- och spinndynamiken i järn-platina nanopartiklar är särskilt viktig inom hårddiskindustrin eftersom dessa nanopartiklar betraktas som det mest lovande lagringsmediet för framtidens högkapacitetshårddiskar.

– Våra experiment har kunnat visa på den potential elektronspridning har för ultrasnabba volymförändringar. Jag hoppas på att kunna bygga upp mätinstrument för ultrasnabb elektrondiffraktion i FREIA-laboratoriet vid Uppsala universitet och utveckla det som ett center för interdisciplinär forskning, där det är möjligt att kombinera ultrasnabba strukturtomografi och teori för dynamiska processer, säger Hermann Dürr som nyligen rekryterats från Stanford för att bli professor vid institutionen för fysik och astronomi.

Artikelreferens: Beyond a phenomenological description of magnetostriction, A. H. Reid, X. Shen, P. Maldonado et al., Nature Communications, DOI:10.1038/s41467-017-02730-7

Kontaktpersoner:

Prof. Hermann Dürr, telefon 0704-250176, herman.durr@physics.uu.se, Dr. Pablo Maldonado, pablo.maldonado@physics.uu.se, eller professor Peter Oppeneer, peter.oppeneer@physics.uu.se, samtliga vid institutionen för fysik och astronomi, Uppsala universitet.