Die moderne Gesellschaft ist auf digitale Technologien angewiesen. Alle Informationen werden dabei grundsätzlich als binäre Daten, in Form von Nullen und Einsen gespeichert. Folglich kann jedes physikalische System, das zuverlässig zwischen zwei stabilen Zuständen umschalten kann, grundsätzlich als Medium für die digitale Datenspeicherung dienen.
Neue Ansätze mit ferroischen Materialien
Ferroische Materialien sind Feststoffe, die zwischen zwei solchen stabilen Zuständen umgeschaltet werden können. Die bekanntesten Beispiele sind Ferromagnete, die in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert werden können, und Ferroelektrika. Diese können entgegengesetzte elektrische Polarisationen aufnehmen. Da diese Zustände durch magnetische oder elektrische Felder leicht umschaltbar sind, werden diese ferroischen Materialien heute häufig in der Datenspeicherung und Elektronik eingesetzt. Diese Systeme haben jedoch auch Nachteile: Sie sind anfällig für äußere Einflüsse – wie etwa starke Magnetfelder in der Nähe einer Festplatte – und neigen dazu, sich mit der Zeit Datenverluste zu erleiden. Dies macht die Suche nach alternativen Datenspeichertechnologien sehr attraktiv.
Ferroaxiale Materialien sind eine erst kürzlich entdeckte Ergänzung der ferroischen Familie. Sie beherbergen eine rotierende Ordnung elektrischer Dipole, die in zwei entgegengesetzte Richtungen im und gegen den Uhrzeigersinn ausgerichtet werden können, ohne dabei eine Magnetisierung oder elektrische Polarisation zu erzeugen. Dadurch sind diese Materialien sehr stabil und werden von externen Feldern nicht beeinflusst. Aus dem gleichen Grund sind sie aber auch sehr schwer zu manipulieren, was ihre Erforschung bisher eingeschränkt hat.
Lichtimpulse als Schlüssel zu ultraschneller, stabiler Datenspeicherung
Das Forschungsteam unter der Leitung von Andrea Cavalleri verwendete zirkular polarisierte Terahertz-Lichtimpulse, um in dem Material Rubidium-Eisen-Dimolybdat (RbFe(MoO4)2) zwischen Ferroaxialdomänen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gezielt zu schalten. „Wir erzeugen ein synthetisches effektives Feld, das entsteht, wenn ein Terahertz-Impuls Ionen im Kristallgitter rotieren lässt“, sagt Zhiyang Zeng, Hauptautor dieser Arbeit.
„Dieses effektive Feld kann an die ferroaxiale Ordnung koppeln, genau wie ein Magnetfeld einen Ferromagneten umschalten oder ein elektrisches Feld einen ferroelektrischen Zustand umkehren würde“, fügt er hinzu. „Durch Anpassung der Helizität oder Drehrichtung der zirkular polarisierten Lichtimpulse können wir selektiv eine Ausrichtung der elektrischen Dipole im oder gegen den Uhrzeigersinn stabilisieren“, fährt Mitautor Michael Först fort, „und so die Speicherung von Informationen in den beiden ferroaxialen Zuständen ermöglichen. Da ferroaxiale Materialien frei von depolarisierenden elektrischen oder magnetischen Streufeldern sind, sind sie äußerst vielversprechende Kandidaten für eine stabile und beständige Datenspeicherung.“
„Dies ist eine spannende Entdeckung, die neue Möglichkeiten für die Entwicklung einer robusten Plattform für die ultraschnelle Datenspeicherung eröffnet“, sagt Andrea Cavalleri. „Sie zeigt auch, wie die zirkulare Bewegung von Atomen im Kristallgitter eines Festkörpers, die erstmals 2017 in unserer Gruppe erzeugt wurden, sich zu einer neuen Ressource für die Steuerung exotischer Materialphasen entwickeln.“
Diese Arbeit wurde primär von der Max-Planck-Gesellschaft und dem Max-Planck-Graduiertenzentrum für Quantenmaterialien unterstützt, das Kooperationen mit der Universität Oxford fördert. Das MPSD erhält außerdem Fördermittel von der Deutschen Forschungsgemeinschaft über den Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“. Das MPSD ist Partner des Center for Free Electron Laser Science (CFEL) mit DESY und der Universität Hamburg.
