Turbo für Rechner dank Laserlicht?

Jülich, 8. März 2022 – Immer mehr Daten immer schneller verarbeiten zu können und dabei den Energieverbrauch zu verringern sind zentrale Voraussetzungen für eine Weiterentwicklung der Informationstechnologie. Eine Nachwuchsforscherin aus Palästina zeigte nun während ihrer Doktorarbeit am Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen einen möglichen Weg auf, diese Ziele mittels „Optischem Schalten“, d.h. Datenschreiben mit Laserlicht, zu erreichen. Die theoretische Physikerin beschreibt dabei gemeinsam mit weiteren Jülicher Forschern erstmals eine Möglichkeit, wie sich die Magnetisierung eines elementaren Ferromagneten mit einem einzigen Laserpuls ultraschnell umkehren lässt. Hanan Hamamera ist Teilnehmerin der "Palestinian-German Science Bridge" (PGSB), einem gemeinsamen Forschungs- und Promotionsprogramm zwischen dem Forschungszentrum, seinen deutschen Partneruniversitäten und palästinensischen Hochschulen.

Optisches Schalten für die Informationsverarbeitung (künstlerische Darstellung)
Optisches Schalten für die Informationsverarbeitung (künstlerische Darstellung)
Forschungszentrum Jülich

Daten können seit Jahrzehnten in Form magnetischer Bits gespeichert werden. Doch die Notwendigkeit, immer größere Datenmengen zu verarbeiten, führt dazu, dass sich die Geschwindigkeiten für das Einschreiben und Auslesen beschleunigen mussten und das auch zukünftig notwendig ist. Laser eignen sich prinzipiell, um die Magnetisierungsrichtung in Speichermaterialien umzukehren, was einem Schreibprozess entspricht, doch bislang benötigt man regelmäßig bis zu mehrere Hundert Laserpulse für einen einzigen Schaltvorgang. Der damit einhergehende hohe Energieverbrauch und die Unvorhersehbarkeit des Schreibvorgangs machen es bisher unattraktiv, eine solche Technik für praktische Anwendungen zu nutzen.

Hanan Hamamera vom Jülicher Institut „Quanten-Theorie der Materialien“ zeigte nun in einer Theorie-Arbeit an Nickel, dass ein einziger Laserpuls die Magnetisierung eines elementaren Ferromagneten gut vorhersehbar und blitzschnell umkehren kann. „Ein Laserpuls ist der kürzeste bekannte Stimulus in der experimentellen Physik der kondensierten Materie“, erläutert ihr Betreuer am Institut, Prof. Samir Lounis. „Somit können Schaltgeschwindigkeiten im Bereich von Pikosekunden bis Femtosekunden erreicht werden. Zum Vergleich: Aktuelle Schaltprozesse verlaufen mindestens tausendmal langsamer.“

Jedoch kann nicht einfach ein beliebiger Laserpuls verwendet werden, zeigt Hamamera: Die erforderlichen Bedingungen für optimales Schalten hängen eng damit zusammen, in welcher Richtung das Material vor dem Puls magnetisiert ist und wie der Puls polarisiert ist. Hamamera identifizierte auch den Mechanismus des Schaltprozesses: Demnach löst das Licht spezifische Drehmomente aus, die den so genannten inversen Faraday-Effekt ermöglichen, der wiederum die Magnetisierung effizient rotieren lässt. Dabei wechselwirkt der Laserpuls mit dem Magneten viel schneller als die fundamentalen Wechselwirkungen zwischen Elektronen, Gittern und Spins im Material ablaufen. Infolgedessen versetzt der Puls den Magneten in einen Nichtgleichgewichtszustand, der, vorausgesetzt, dass der Puls richtig gewählt wurde, ultraschnell in einer Umkehr der Magnetisierung endet.

Die Forschungsarbeit basiert auf einer von Hamamera entwickelten Methode zur Beschreibung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, die die Details der elektronischen Struktur des Materials realistisch berücksichtigt. Mit der Methode lässt sich die nichtlineare Magnetisierungsdynamik über Zeiträume beobachten, die lang sind im Verhältnis zu den Laserpulsen. Vergleichbare Theoriearbeiten über Magnetisierungsumschaltungen sind den Forscher:innen nicht bekannt.

Die "Palestinian-German Science Bridge" (PGSB) bietet seit 2016 den besten palästinensischen Studierenden die Möglichkeit, an Jülicher Instituten zu forschen und ihre Doktorarbeit zu schreiben. Unterstützt vom gastgebenden Institut, können sie dann nach der Rückkehr in ihr Heimatland eine eigene Forschergruppe aufbauen. Das Projekt wird vom BMBF gefördert.

Originalveröffentlichung:

Hamamera, H., Guimarães, F.S.M., dos Santos Dias, M. et al.:
Polarisation-dependent single-pulse ultrafast optical switching of an elementary ferromagnet. Commun Phys 5, 16 (2022). DOI: 10.1038/s42005-021-00798-8

Weitere Informationen:

Website des Peter Grünberg Instituts – Quanten-Theorie der Materialien

Nachwuchsgruppe Dr. Samir Lounis – Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory (Funsilab)

Palestinian-German Science Bridge (PGSB)

Kontakt:

Prof. Dr. Samir Lounis
Peter Grünberg Institut/Institute for Advanced Simulations – Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Tel. 02461 61-4068
E-Mail: s.lounis@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Angela Wenzik
Wissenschaftsjournalistin
Forschungszentrum Jülich
Tel. 02461 61-6048
E-Mail: a.wenzik@fz-juelich.de

Letzte Änderung: 24.05.2022