Jaarboek no. 89. 2010/2011 - Koninklijke Maatschappij voor ...

kon worden gevolgd. Dit gaf zeer verrassende
resultaten: het omdraaien bleek in twee stappen te
verlopen. Eerst werd de magnetisatie heel snel (binnen
een picoseconde) bijna nul, daarna duurde het
enige tientallen picoseconden voordat de magnetisatie
geheel was omgedraaid. Om te begrijpen wat
we hier zien, hebben we met behulp van theoretische
collega’s simulaties uitgevoerd, die kwalitatief
goed overeenkomen met de experimentele resultaten.
De conclusies van dit gezamenlijke werk zijn dat
het schakelen=ompolen van de magnetisatie met
een femtoseconde laserpuls inderdaad heel anders
gaat dan met een gewone magnetische puls: door
het snelle verhitten van het metaal verdwijnt eerst
de magnetisatie, terwijl deze daarna weer groeit in
de richting die wordt gegeven door de richting van
het optisch geïnduceerde magneetveld. In plaats
van een precessie beweging is hier sprake van een
zogenaamd lineair schakelproces, 13 een novum
binnen de toch al zeer dynamische wereld van het
moderne magnetisme.
Deze nieuwe en deels spectaculaire resultaten roepen
de vraag op wat er nu precies gebeurt met de
wisselwerking tussen de atomaire spins op de ultrasnelle
tijdschaal van onze femtoseconde excitatie
pulsen: de sterke wisselwerking tussen de atomaire
spins (van grootte orde van 0,1eV) correspondeert
met een tijdschaal van ongeveer 100fs! Dit hebben
we recentelijk bestudeerd door een magnetisch
materiaal met een femtoseconde laserpuls
te exciteren en vervolgens met een femtoseconde
röntgenpuls de respons te bestuderen. Hierbij werd
gebruik gemaakt van ΄X-ray Magnetic Dichroism΄
(XMCD), wat vergelijkbaar is met het Magnetooptisch
Faraday effect, maar dan in het röntgengebied.
Het voordeel van deze methode is dat XMCD
atomair specifiek is, dat wil zeggen, naar de respons
van de individuele magnetische spins kan kijken.
We moesten daarvoor wel naar de synchrotron faciliteit
BESSY in Berlijn, waar zulke korte X-ray pulsen
beschikbaar zijn. Tot onze grote verassing vonden
we dat de zeer sterk anti-parallel gekoppelde spins
in GdFeCo (inderdaad hetzelfde materiaal als hierboven
werd beschreven), tijdelijk parallel gaan staan
Natuurkundige voordrachten I Nieuwe reeks 89
Magneten schakelen met de snelheid van licht
alvorens ze weer keurig in de gebruikelijke antiparallelle
toestand terugkeren. 14 Dit zeer onverwachte
en spectaculaire resultaat geeft nieuw inzicht in de
theorie van magnetisme op een tijdschaal die voorheen
nog geheel onbekend was, wat niet alleen van
zeer groot fundamenteel belang is maar wat mogelijk
ook tot nieuwe mogelijkheden kan leiden tot
zeer snelle magnetische data opslag.
Ik hoop dat ik met de geschetste recente ontwikkelingen
op het gebied van de interactie van licht met
magnetisme iets van mijn fascinatie voor de fysica
en in het bijzonder voor dit onderwerp heb kunnen
overdragen. Terwijl de 20ste eeuw wel de eeuw van
het elektron wordt genoemd, wordt de 21ste eeuw al
speculatief met de eeuw van het foton aangeduid.
Toekomst voorspellen is een hachelijke zaak, waaraan
ik me niet zal wagen. Maar in de combinatie van
elektronen en fotonen is duidelijk een heel nieuw
gebied te exploreren, dat wij in Nijmegen wel aanduiden
als opto-magnetisme (als tegenhanger van
het reeds bekende magneto-optica, zie referentie 15
voor een recent overzichtsartikel). Het gebruik van
korte optische pulsen biedt nog veel meer mogelijkheden:
door het combineren van verschillende
pulsen of door het manipuleren van de frequentie
en fase van de frequentiecomponenten binnen een
puls, kan men de magnetisatie volledig optisch en
coherent controleren: quantum computer met spins?
Tenslotte wil ik mijn medewerkers en studenten en
mijn vele buitenlandse collega’s bedanken, zonder
wie ik hier niet zulke mooie en spannende resultaten
had kunnen laten zien, en daarnaast de Stichting
Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), de
Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk
Onderzoek (NWO) en de Europese Unie (met name
de KP7 programma’s) voor de financiële steun van
mijn onderzoek.
Referenties
1. M. Faraday, 1845.
2. P. Zeeman, Nature 55, 347 (1897).
3. G.E. Uhlenbeck and S. Goudsmit, Naturwissenschaften,
47, 953, 1925.
81