Wenige nanometerdünne Filme aus magnetischen Materialien sind ideale Testobjekte, um grundlegende Fragestellungen des Magnetismus zu untersuchen. Darüber hinaus haben solche dünnen magnetischen Filme wichtige technologische Anwendungen. Sie werden beispielsweise in magnetischen Massendatenspeichern eingesetzt, z.B. in den magnetischen Festplatten, die in Cloud-Datenspeicherzentren verwendet werden. Während in der heutigen Technologie die Magnetisierung in diesen dünnen Filmen durch externe Magnetfelder manipuliert wird, ist es auch möglich, die Magnetisierung mit Hilfe von Laserpulsen zu beeinflussen. Wenn man magnetische Materialien ultrakurzen Lichtpulsen mit einer Dauer von nur wenigen zehn Femtosekunden (1 Femtosekunde = 1 Millionstel einer Milliardstel Sekunde) aussetzt, beobachtet man, dass sich die Magnetisierung verändert. In einfachen Probensystemen entspricht diese Änderung oft einer einfachen Abnahme der Magnetisierungsamplitude. In komplexeren Materialsystemen kann der Lichtpuls die Magnetisierung jedoch auch dauerhaft umkehren. In solchen Fällen spricht man von optischer Magnetisierungsumschaltung mit offensichtlichen Anwendungspotenzialen. Die bemerkenswerte Geschwindigkeit dieses Schaltvorgangs ist jedoch noch nicht verstanden. Aus diesem Grund untersuchen Forschungsgruppen weltweit die mikroskopischen Prozesse, die dem „Femtomagnetismus" zugrunde liegen.

Forscher des Max-Born-Instituts in Berlin und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle haben jetzt in einer kombinierten experimentellen und theoretischen Forschungsarbeit einen neuen mikroskopischen Prozess beobachten können, der erst vor kurzer Zeit theoretisch vorhergesagt wurde.  Der Prozess, der als Optischer Intersite-Spin-Transport (OISTR) bezeichnet wird, kann auftreten, wenn geeignete Atome unterschiedlicher Art in einem Festkörper benachbart sind. Unter entsprechenden Bedingungen löst ein Lichtpuls eine Verschiebung von Elektronen von einem Atom zum Nachbaratom aus. Wichtig ist, dass dies überwiegend mit Elektronen einer bestimmten Spinorientierung geschieht und somit die lokale Magnetisierung beeinflusst. Dieser Prozess findet während der optischen Anregung statt und ist nicht von Sekundärmechanismen abhängig. Es ist daher der schnellste denkbare Prozess, der zu einer lichtinduzierten Änderung des Magnetismus führt.

This process takes place during optical excitation and does not depend on secondary mechanisms. It is, therefore, the fastest process imaginable leading to a light-induced change in magnetism.

Ein Atom weist eine Magnetisierung auf, wenn es über eine unterschiedliche Anzahl an Spin-up- und Spin-down-Elektronen verfügt. Umso größer dieser Unterschied ist, desto größer ist auch sein magnetisches Moment. Vereinfacht stellt man sich an jedem Atom zwei Reservoirs für die Elektronen der beiden Spinorientierungen vor, die unterschiedlich hoch gefüllt sind. Für ein Kobalt-(Co) und ein Platin-(Pt)Atom, die in einer CoPt-Legierung Nachbarn sind, ist dies in Abbildung 1 skizziert. Wird die Magnetisierung verringert, muss sich auch die Anzahl der beiden Spin-Typen ausgleichen. Ein bekannter Prozess für diesen Ausgleich beider Reservoirs an einem Atom ist der Spin-Flip, bei dem beispielsweise ein Spin-up-Elektron zu einem Spin-down-Elektron wird - in der Abbildung dargestellt durch einen Sprung vom blauen in das rote Reservoir. Diese Spin-Flips treten verstärkt an schweren Atomen wie Pt auf, wo der Spin besonders empfindlich auf die Bewegung des Elektrons reagiert - Physiker sprechen von einer großen Spin-Bahnkopplung. Der bei diesem Spin-Flip-Prozess emittierte Drehimpuls wird von der gesamten Anordnung der Atome im Festkörper absorbiert.