Magnetische Bits und elektrische Felder

  • 15. November 2016

Erstmals einzelne magnetische Skyrmionen mit lokalen elek­tri­schen Feldern ge­schrieben und ge­löscht.

Skyrmionen sind heiße Kandidaten für Informationsbits in künftigen digi­talen magne­tischen Speicher­medien. Sie besitzen viel­ver­sprechende Eigen­schaften und sind wenige Nano­meter groß. Forschern der Uni Hamburg ist es jetzt erstmals gelungen, einzelne magne­tische Skyr­mionen indi­vi­duell mit lokalen elek­trischen Feldern zu schreiben und zu löschen. Die Experi­mente weisen einen mög­lichen Weg hin zu einer energie­effi­zien­teren Infor­mations­techno­logie.

Skyrmionen

Abb.: Nanoskalige Skyrmionen in ultra­dünnen Eisen­filmen von nur drei Atom­lagen Dicke, auf­ge­reiht auf Nano­daten­spuren. Die Magne­ti­sie­rung im Zentrum der vier Nano­meter langen Skyr­mionen (gelb) ist ent­gegen­ge­setzt zu ihrer magnetischen Um­ge­bung (blau) und zum äußeren an­ge­legten Magnet­feld. Das Bild zeigt die Daten einer spin­polari­sierten Raster­tunnel­mikro­skopie-Messung, die magne­tische Nano­struk­turen bis hin zur ato­maren Skala ab­bilden kann. (Bild: A. Kubetzka, P.-J. Hsu & R. Wiesen­danger, U. Hamburg)

Magnetische Skyrmionen kann man sich bildlich als einen zwei­dimen­sio­nalen Knoten vor­stellen, bei dem sich die ato­maren magne­tischen Momente mit einem defi­nierten Dreh­sinn inner­halb einer Ebene ein­mal komplett um 360 Grad drehen. Die magne­tischen Knoten haben Teil­chen­charakter und man kann sie auf­grund ihrer Topo­logie charak­teri­sieren: Ein Skyr­mion hat die topo­lo­gische Ladung „1“, im Gegen­satz zu einer Magne­ti­sierung ohne Knoten mit der topo­lo­gischen Ladung „0“.

In konventionellen Speichern bestehen die magnetischen Bits aus vielen Atomen mit einer paral­lelen Anord­nung ihrer magne­tischen Momente und können ent­spre­chend ihrer magne­tischen Aus­rich­tung die „1“ und „0“ dar­stellen. Die zwei Zu­stände sind physi­ka­lisch gleich und können daher nicht gezielt mit elek­tri­schen Feldern ge­schaltet werden. Anders im Fall von Skyr­mionen: Hier kann man die topo­lo­gische Ladung nutzen um mit einem Skyr­mion den Bit-Zustand „1“ – es gibt ein Skyrmion – und „0“ – es gibt kein Skyrmion – darzu­stellen. Die zwei Zustände sind auf­grund der verschie­denen Topo­logie physi­ka­lisch nicht gleich und man kann daher ihre Energie­balance mit elek­tri­schen Feldern beein­flussen.

Die Forscher der Uni Hamburg konnten zeigen, dass in geeignet einge­stellten äußeren Magnet­feldern die experi­mentell reali­sier­baren elek­tri­schen Felder aus­reichend sind für eine rever­sible Mani­pu­lation einzelner Skyr­mionen. Dabei bestimmt die Rich­tung des elek­tri­schen Feldes direkt, ob geschrieben oder gelöscht wird. „Das Ent­schei­dende ist, dass die zwei Zustände durch keine Symmetrie­operation ver­knüpft sind, nur des­halb ist das elek­tri­sche Feld wirk­sam“, sagt Kirsten von Berg­mann von der Uni Hamburg. Das experi­men­tell reali­sierte Schreiben und Löschen von Skyr­mionen mit elek­tri­schen Feldern zeigt einen neuen mög­lichen Weg für eine energie­effi­zien­tere Daten­speicher­techno­logie auf, da der Schreib- und Lese­prozess nahe­zu strom­los funktioniert.

UHH / RK

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