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Ultraschnelle Magnetisierungsdynamik

Die Magnetisierungsdynamik magnetischer Dünnschichten auf Zeitskalen unter einer Nanosekunde ist für viele Anwendungen von großer Bedeutung. Sie wird üblicherweise mit induktiven Verfahren charakterisiert, die aber bei nur mikrometergroßen Einzelstrukturen an ihre Grenzen stoßen. Ein in der PTB entwickeltes Verfahren ermöglicht nun die Messung der ultraschnellen Magnetisierungsdynamik einzelner magnetischer Mikro- und Nanostrukturen über eine einfache elektrische Widerstandsmessung.

Magnetische Speicher und Sensoren begegnen uns in den verschiedensten Bereichen des täglichen Lebens. So werden auf Festplatten digitale Informationen in einer nur wenige Nanometer dicken magnetischen Schicht gespeichert. Da solche Magnetspeicher und -sensoren in Zukunft immer schneller arbeiten müssen, steigen auch die Anforderungen an die Messtechnik etwa zur Untersuchung der Schreibgeschwindigkeit von Magnetspeichern oder der Ansprechzeit magnetischer Sensoren.

In der PTB wurde nun ein Verfahren entwickelt, mit dem die schnelle Magnetisierungsdynamik einzelner magnetischer Nanostrukturen durch eine einfache Messung des elektrischen Widerstands detektiert werden kann. Auf einen kurzen magnetischen Feldpuls reagiert die Magnetisierung eines ferromagnetischen Materials mit der sogenannten ferromagnetischen Präzession. Dabei umkreist die Magnetisierung das angelegte Magnetfeld mit Frequenzen im GHz-Bereich. Die charakteristischen Parameter dieser Präzession sind zum einen die Frequenz, zum anderen das Abklingverhalten, d. h. die magnetische Dämpfung.

Das neue Messverfahren nutzt einen universellen physikalischen Effekt ferromagnetischer Materialien, den sogenannten anisotropen Magnetowiderstand, um diese technisch relevanten Parameter zu ermitteln. Ändert sich die Richtung der Magnetisierung des Ferromagneten, so bewirkt das auch eine kleine Änderung des elektrischen Widerstandes. Bei einer zeitaufgelösten Messung dieser Widerstandsänderung konnte nun erstmals die Präzessionsbewegung auf diese Weise beobachtet werden. Dabei führte die Präzession mit einer bestimmten Frequenz zu einer periodischen Widerstandsänderung mit derselben Frequenz, die mit einem Oszilloskop bestimmt wurde.

Neben der Einfachheit ist ein weiterer Vorteil der Methode ihre universelle Anwendbarkeit. Da praktisch alle magnetischen Materialien einen ausreichend starken anisotropen Magnetowiderstand zeigen, können die verschiedensten magnetischen Dünnschichten und Nanostrukturen mit Hilfe dieses Verfahrens charakterisiert werden.