Licht polt Magneten um

In einem Ferromagneten gilt: einzeln schwach, gemeinsam stark. Damit sich eine Kompassnadel nach Norden ausrichtet oder ein K¨¹hlschrankmagnet an der K¨¹hlschrankt¨¹r haften bleibt, m¨¹ssen sich die unz?hligen Elektronenspins in deren Innerem, die einzeln nur ein winziges Magnetfeld erzeugen, alle in dieselbe Richtung ausrichten. Dies geschieht durch Wechselwirkungen zwischen den Spins, die st?rker sein m¨¹ssen als die ungeordnete thermische Bewegung im Ferromagneten. Liegt die Temperatur des Materials unter einem kritischen Wert, so wird es ferromagnetisch. 

Umgekehrt gilt: Um das Magnetfeld eines Ferromagneten umzupolen, muss man ihn normalerweise zun?chst ¨¹ber seine kritische Temperatur erw?rmen. Dann k?nnen sich die Elektronenspins neu orientieren, und nach dem Abk¨¹hlen zeigt das Magnetfeld des Ferromagneten schliesslich in eine andere Richtung. 

Einem Forschungsteam um Ata? Imamo?lu, Physikprofessor an der ETH Z¨¹rich, und Tomasz Smolenski, Professor an der Universit?t Basel, ist es nun gelungen, eine solche Neuausrichtung allein mithilfe von Licht zu erreichen ¨C ganz ohne Aufheizen. Ihre Ergebnisse dazu haben sie soeben im Fachjournal Nature ver?ffentlicht. 

Wechselwirkungen und Topologie 

?Das Spannende an unserer Arbeit ist, dass wir hier die drei grossen Themen der modernen Festk?rperphysik in einem Experiment vereint haben: starke Wechselwirkungen zwischen den Elektronen, Topologie und dynamische Kontrolle?, sagt Imamo?lu. Dazu verwendeten die Forschenden ein spezielles Material aus zwei hauchd¨¹nnen Schichten des organischen Halbleiters Molybd?nditellurid, die leicht gegeneinander verdreht sind.

In solchen Materialien k?nnen sich sogenannte topologische Zust?nde bilden. Vereinfacht kann man sagen, dass sich topologische Zust?nde dadurch charakterisieren lassen, ob sie zum Beispiel wie ein Ball (kein Loch) oder wie ein Teigkringel (ein Loch) aussehen. Dabei ist wichtig, dass sich ein Ball nicht einfach durch Verformung in einen Teigkringel verwandeln l?sst und topologische Zust?nde daher eindeutig und dauerhaft definiert sind.  

In den neuen Experimenten, die von Smolenski und Imamo?lu gemeinsam angeleitet wurden, konnten die Elektronen zwischen solchen topologischen Zust?nden, die isolierend sind, und metallischen, also leitenden Zust?nden umgeschaltet werden. Bemerkenswert ist dabei, dass die Wechselwirkungen die Elektronen in beiden Zust?nden dazu bewegen, sich parallel zueinander auszurichten, wodurch das Material zu einem Ferromagneten wird.   

?Der Clou ist nun, dass wir mithilfe eines Laserpulses die kollektive Ausrichtung der Spins ?ndern k?nnen?, sagt ETH-Doktorand Olivier Huber, der die Experimente zusammen mit seinem Kollegen Kilian Kuhlbrodt und Tomasz Smolenski durchgef¨¹hrt hat. Das war f¨¹r einzelne Elektronen schon vor einigen Jahren gelungen, doch neu ist nun das ?Umschalten? oder Umpolen des gesamten Ferromagneten. ?Dieses Umschalten ist dauerhaft, und zudem beeinflusst die Topologie die Dynamik des Umschaltens?, sagt Smolenski. 

Dynamische Kontrolle des Ferromagneten 

Mit dem Laserpuls k?nnen so auch neue Begrenzungslinien gezogen werden, innerhalb derer sich der topologische ferromagnetische Zustand befindet. Dies kann wiederholt geschehen, wodurch eine dynamische Kontrolle der topologischen und ferromagnetischen Eigenschaften des Materials m?glich ist. Um nachzuweisen, dass sich der nur wenige Mikrometer grosse Ferromagnet tats?chlich umgepolt hatte, massen die Forschenden die Reflektion eines zweiten, viel schw?cheren Laserstrahls, welche Auskunft ¨¹ber die Orientierung der Elektronenspins gab. 

?Mit unserer Methode k?nnen wir in Zukunft beliebige und anpassbare topologische Schaltkreise auf einem Chip optisch erzeugen?, sagt Smolenski. Auf diese Weise k?nnten dann zum Beispiel winzige Interferometer realisiert werden, mit denen sich extrem kleine elektromagnetische Felder messen lassen.