Extreme stabiliteit ultrasnel nanomagnetisme helpt ontwikkeling snellere dataopslag

(Afbeelding Radboud Universiteit)

Elke magneet bestaat uit kleine magneetjes, de zogenaamde spins. Wanneer een materiaal magnetisch is, staan deze spins allemaal in dezelfde richting. Met ultrakorte laserpulsen kunnen de spins in magnetische materialen in zeer korte tijd van richting veranderen. Dit zogeheten ultrasnel nanomagnetisme is belangrijk voor bijvoorbeeld harde schijven, waarop informatie wordt opgeslagen met behulp van magnetische bits. Om die opslag sneller en kleiner te maken, is het essentieel om precies te begrijpen wat er gebeurt op nanoschaal.

Domeinen
Met een nieuwe beeldvormingstechniek die processen kan volgen tot op nanometers en femtoseconden, hebben Mentink en collega’s gekeken naar het gedrag van domeingrenzen – dunne wanden van een nanometer tussen magnetische domeinen. Meerdere spins die dezelfde kant op wijzen, zijn een domein. Om te begrijpen hoe deze structuren zich gedragen, heb je een meettechniek nodig die tegelijkertijd extreem scherp én extreem snel kan meten. Met de nieuwe beeldvormingstechniek, die gebruik maakt van extreem ultraviolet licht, hebben collega-onderzoekers van Mentink van het Max Planck instituut in Göttingen voor het eerst kunnen volgen wat er gebeurt met domeinwanden op het moment dat een laserpuls een magnetisch materiaal raakt. 

Uit het onderzoek blijkt dat deze domeinwanden veel stabieler zijn dan gedacht. Zelfs wanneer een materiaal sterk wordt verhit door een laserpuls en gedeeltelijk zijn magnetisme verliest, blijven domeinwanden op hun plek en veranderen ze nauwelijks van vorm. Dat bevestigt een belangrijk theoretisch inzicht: domeinen bewegen niet snel door het materiaal. ‘Op korte tijdschalen kan dat helemaal niet snel,’ zegt Mentink. ‘Er is maar een eindige snelheid waarmee die domeinen zich kunnen bewegen.’

Het feit dat domeinwanden zo stabiel blijven onder invloed van een laser was nog niet eerder waargenomen. Mentink: ‘Dit vertelt ons dat de energie van de laser heel lokaal werkt – het veroorzaakt demagnetisatie die op elke plek hetzelfde is. Hierdoor blijft de domeinstructuur, zowel de positie, vorm als breedte, intact. ‘

Kans
Bij een nog krachtigere laser begint er iets anders te gebeuren: kleine stukjes van het materiaal slaan willekeurig om, als het gevolg van een kansproces op nanoschaal. De domeingrens blijft grotendeels intact, maar er komen op willekeurige plekken kleine domeinen bij. ‘Eén krachtige puls geeft eigenlijk een soort rommeltje van domeinen die omhoog en omlaag staan,’ legt Mentink uit. ‘Alleen door meerdere pulsen te gebruiken, kunnen ze samengroeien tot één groot domein.’ 

Dit betekent dat demagnetisatie vooral lokaal plaatsvindt, en niet doordat domeingrenzen zich snel door het materiaal verplaatsen. Dat inzicht is belangrijk voor de manier waarop onderzoekers magnetisme proberen te controleren waardoor uiteindelijk dataopslag beter, sneller en efficiënter kan. ‘Wat ultrasnel gaat, is het schakelen,’ zegt Mentink. ‘Maar het verplaatsen van een domeingrens in de ruimte is een traag proces.’