Ultrafast X-ray sonography reveals the spatial heterogeneity of the laser-induced magneto-structural phase transition in FeRh

Materie existiert oft in verschiedenen Zuständen, wie Wasser als Eis, Flüssigkeit oder Dampf. Wenn ein Material von einem Zustand in einen anderen übergeht, ist dies selten eine einfache, gleichmäßige Änderung, die überall gleichzeitig geschieht. Stattdessen beginnt die Transformation meist in kleinen, verstreuten Taschen, die wachsen und verschmelzen, wodurch eine komplexe, patchworkartige Landschaft aus alten und neuen Phasen entsteht. Genau zu verstehen, wie diese Taschen entstehen und wo sie auftauchen, ist entscheidend für das Design schnellerer, effizienterer elektronischer Geräte, doch diesen Prozess in Echtzeit beobachten zu können, war bisher so, als versuche man, die einzelnen Fäden eines Wandteppichs zu sehen, während man zu weit entfernt steht. Wissenschaftler waren schon lange in der Lage, den zeitlichen Ablauf dieser Änderungen mit unglaublicher Geschwindigkeit zu verfolgen und Ereignisse zu messen, die in einer Billionstelsekunde ablaufen, aber sie hatten Schwierigkeiten, die räumlichen Details darüber zu sehen, wo die neue Phase beginnt und wie sie sich durch das Material ausbreitet.

Ein Forschungsteam hat nun eine Möglichkeit entwickelt, diese verborgene Landschaft mit beispielloser Klarheit zu sehen, indem es eine Technik namens ultraschnelle Röntgen-Sonografie verwendet. Durch die Kombination von Hochgeschwindigkeits-Röntgenaufnahmen mit Schallwellen, die durch ein Material reisen, haben sie genau kartiert, wie eine spezifische Metalllegierung, bekannt als FeRh, ihre magnetische Natur verändert. Sie entdeckten, dass, wenn dieses Material mit einem Laserpuls getroffen wird, die neue magnetische Phase nicht als flache Schicht erscheint, die sich gleichmäßig über die Oberfläche ausbreitet, noch dass sie tief im Inneren des Materials beginnt. Stattdessen nukleiert sie an der äußersten Oberfläche und wächst als tausende winzige, schmale Säulen, die jeweils etwa 30 Nanometer breit sind, nach unten in das Material hinein. Dieser Befund löst ein langjähriges Rätsel in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf, in der verschiedene Experimente widersprüchliche Bilder darüber geliefert hatten, wie die Transition abläuft, und er liefert ein neues, leistungsfähiges Werkzeug, um zu beobachten, wie Materialien sich im Blinzeln eines Auges verändern.

Das Material, das im Zentrum dieser Studie steht, ist eine Legierung aus Eisen und Rhodium, die sich in einem empfindlichen Gleichgewicht befindet. Bei Raumtemperatur ist es antiferromagnetisch, was bedeutet, dass seine internen magnetischen Spins in einem Muster angeordnet sind, das sich selbst aufhebt, sodass das Material keine gesamte magnetische Anziehungskraft besitzt. Wenn es erhitzt wird, oder in diesem Fall, wenn es von einem Laserpuls getroffen wird, vollzieht es einen dramatischen Wechsel hin zu einem ferromagnetischen Zustand, bei dem die Spins in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, was das Material in einen Magneten verwandelt. Dieser Wechsel geht mit einer physikalischen Expansion der Kristallstruktur des Materials einher – eine Veränderung, die die Forscher als Schlüssel genutzt haben, um das Geheimnis zu entschlüsseln, wie die Transition abläuft. Während frühere Experimente ihnen sagen konnten, wie viel des Materials sich über die Zeit verändert hatte, konnten sie ihnen nicht sagen, wo die Änderung stattfand oder welche Form die neuen magnetischen Regionen annahmen.

Um dies zu lösen, nutzten die Forscher einen klugen Trick unter Verwendung von Schall. Wenn der Laserpuls auf das Material trifft, löst er nicht nur die magnetische Änderung aus, sondern sendet auch einen Schallpuls, oder eine Strain-Welle, aus, die wie eine Rippel in einem Teich durch das Material reist. Diese Schallwelle staucht und dehnt das Material vorübergehend, während sie sich bewegt. Da die neue magnetische Phase die Struktur des Materials expandiert, reagiert sie auf diese Schallwelle anders als die alte Phase. Indem sie ultraschnelle Röntgenstrahlen in präzisen Momenten nach dem Laser-Hit auf das Material feuerten, konnte das Team beobachten, wie sich die Röntgenmuster als Reaktion auf die vorbeiziehende Schallwelle verschoben. Diese Verschiebungen wirkten wie ein Sonar-Ping, der die Tiefe und die Form der neuen magnetischen Regionen enthüllte, während die Schallwelle sie passierte.

Die Ergebnisse zeichneten ein sehr spezifisches Bild der Transformation. Die Daten widerlegten die Vorstellung, dass die neue magnetische Phase als flache Schicht entstand, die sich über die gesamte Oberfläche ausbreitete, oder dass sie tief im Inneren des Materials begann und nach außen wanderte. Stattdessen zeigte die Röntgen-Sonografie, dass die neue Phase als distinkte, vertikale Säulen an der Oberfläche erschien. Diese Säulen sind unglaublich schmal, mit einem Durchmesser von etwa 30 Nanometern, was in etwa der Größe der winzigen Kristallkörner ist, aus denen das Metallfilm selbst besteht. Während der Laserpuls den Prozess weiter vorantreibt, wachsen diese Säulen tiefer in das Material hinein und verschmelzen schließlich zu einer kontinuierlichen magnetischen Schicht. Die Forscher fanden heraus, dass dieses säulenförmige Wachstum sehr schnell geschieht, wobei die initiale Bildung in nur 8 Pikosekunden erfolgt, einer Zeitskala, die nur ein Bruchteil einer Milliardstel Sekunde ist.

Diese Entdeckung ist bedeutend, weil sie erklärt, warum frühere Experimente derart unterschiedliche Ergebnisse geliefert hatten. Einige Messungen, die die Eigenschaften der gesamten Probe mittelten, deuteten auf eine gleichmäßige Änderung hin, während andere auf ein komplexeres Verhalten hindeuteten. Die neue Technik zeigte, dass die Wahrheit in der räumlichen Anordnung liegt: Das Material verändert sich auf eine hochgradig heterogene Weise, wobei die neue Phase in diesen schmalen, isolierten Säulen existiert, bevor sie sich verbinden. Die Forscher bestätigten dieses Muster, indem sie verschiedene Stärken des Laserpulses testeten. Wenn der Puls stark genug war, um die Energiebarriere für die Transition über die gesamte Oberfläche zu überwinden, bildeten die Säulen sich schnell und verschmolzen. Wenn der Puls schwächer war, blieb die Änderung fleckig und trat nur an den Stellen auf, an denen das Material am leichtesten zu transformieren war, was weiter bestätigte, dass der Prozess durch die lokale Struktur des Materials angetrieben wird.

Die Fähigkeit, diese Details zu sehen, öffnet ein neues Fenster zum Verhalten von Materialien, die ihre Eigenschaften schnell ändern. Die hier verwendete Technik der ultraschnellen Röntgen-Sonografie ist nicht auf diese spezifische Metalllegierung beschränkt. Da sie auf der grundlegenden Art und Weise basiert, wie Schallwellen mit unterschiedlichen strukturellen Phasen interagieren, kann sie auf eine breite Palette von Materialien angewendet werden, die ähnliche Veränderungen durchlaufen. Diese Methode ermöglicht es Wissenschaftlern, die Geburt neuer Phasen in Echtzeit zu beobachten, zwischen verschiedenen Arten des Wachstums zu unterscheiden und die präzisen Dimensionen der sich ändernden Regionen zu identifizieren, ohne die Probe in irgendeiner speziellen Weise vorbereiten zu müssen. Indem sie die verborgene Geometrie dieser Übergänge offenlegt, bietet die Arbeit eine klarere Grundlage für das Verständnis, wie sich Materialien unter extremen Bedingungen verhalten, was für die Entwicklung der nächsten Generation von Hochgeschwindigkeits-Computing- und Datenspeichertechnologien essenziell ist.