XFEL: Studien über metallisches Nickel offenbaren magnetische Erkenntnisse

Eine internationale Gruppe von Wissenschaftlern hat mit einer als zeitaufgelöste Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) bezeichneten Technik am European XFEL neue Details der elektronischen Struktur von metallischem Nickel entdeckt. Die Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis der magnetischen Eigenschaften von Nickel, das wie Eisen ferromagnetisch ist. Sie können auch Aufschluss darüber geben, wie ferromagnetische Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen verändert werden können.  Das kann zur Untersuchung anderer magnetischer Materialien und zur Entwicklung effizienterer magnetischer Speicher beitragen.

Die Wissenschaftler nutzten einen mit sichtbarem Licht arbeitenden Laser, um Ladungen in den Nickelproben zu erzeugen. Die Proben wurden als dünne Filme präpariert, an der European XFEL-SCS-Experimentierstation  untersucht wurden. Die erzeugten Ladungen verändern die Eigenschaften des Nickels. Das Team konnte diese Veränderungen mit einer Folge von extrem kurzen Röntgenpulsen aufzeichnen, die so kurz waren, dass auch ultraschnelle Prozesse im Material beobachtet werden konnten. Die resultierende Serie von Schnappschüssen enthüllte im Detail, wie sich die Elektronen im Nickel nach anfänglichem "Kick" durch den mit sichtbarem Licht arbeitenden Laser neu organisierten. Die Forscher waren insbesondere daran interessiert, den Prozess der "ultraschnellen Entmagnetisierung" zu verstehen, bei dem die magnetischen Eigenschaften eines Materials auf einer Zeitskala von weniger als einer Billionstel Sekunde "abgeschaltet" werden können.

"Die Untersuchung von dauermagnetischen Materialien oder Ferromagneten unter diesen Bedingungen gibt Aufschluss darüber, wie die Ladungen im Material auf einer fundamentalen Ebene interagieren und wie sich diese Materialien als Magnete verhalten", sagt Andrea Eschenlohr von der Universität Duisburg-Essen, Projektleiterin der Studie, die jetzt in Materials Research Letters veröffentlicht wurde. "Wir haben unsere Technik auf Nickel als Vergleichsmaterial angewandt und sind mit den Ergebnissen sehr zufrieden. Nun hoffen wir, dass wir die zeitaufgelöste XAS mit einer hohen Datenqualität nutzen können, die uns tiefere Einblicke in andere Magnete und noch komplexere Materialien ermöglicht."

Die Studie, die eine der ersten Demonstrationen der zeitaufgelösten XAS am European XFEL war, unterstreicht die einzigartigen Möglichkeiten der SCS-Experimentierstation für solche Untersuchungen. Das Team plant nun, weitere Materialien mit der Methode zu untersuchen, insbesondere das Verhalten von Oberflächen und Grenzflächen, die für die Photovoltaik und die Entwicklung von Photokatalysatoren relevant sind.

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“The interplay of local electron correlations and ultrafast spin dynamics in fcc Ni,” Tobias Lojewski, Mohamed F. Elhanoty et al., Mat. Res. Lett. 11, 655-661 (2023), https://doi.org/10.1080/21663831.2023.2210606

Kontakte:

Dr Andrea Eschenlohr
Tel: +49-203-37-94531
E-mail: andrea.eschenlohr@uni-due.de 

Dr Bernd Ebeling
Tel: +49-40-8998-6921
E-mail: bernd.ebeling@xfel.eu