Energiesparende Datenspeicher

  • 16. December 2016

Neues Material behält besondere magne­tische Eigen­schaften auch bei Raum­tempe­ratur.

Forscher des Paul-Scherrer-Instituts in der Schweiz haben ein neues Material geschaffen, das ein großes Poten­zial für zukünf­tige Speicher­medien hat. Es handelt sich um ein magneto­elek­tri­sches multi­ferro­isches Material, dass seine nötigen magne­tischen Eigen­schaften auch bei Raum­tempe­ratur behält und damit für den Ein­satz im All­tag taugt. Magneto­elek­trische multi­ferro­ische Materi­alien sind äußerst selten. In ihnen sind die magne­tischen und elek­trischen Eigen­schaften anein­ander gekoppelt. Die magne­tischen Eigen­schaften des Materials lassen sich steuern, indem ein elek­tri­sches Feld ange­legt wird. Elek­trische Felder lassen sich ein­facher und energie­spar­samer erzeugen als magne­tische Felder. Wird ein elek­tri­sches Feld an magneto­elek­trische Multi­ferro­ika ange­legt, wirkt dieses auf die elek­tri­schen Eigen­schaften des Materials.

Magnetspiralen

Abb.: Magnetische Spiralen, mit Neutronen sichtbar gemacht. Die Grafik zeigt die Inten­sität der von der Material­probe abge­lenkten Neutronen. Die zwei gelb­grünen Linien sind die Signa­tur der magne­tischen Spiralen und sind im Tempe­ratur­bereich von 2 bis 310 Kelvin sicht­­bar. (Quelle: M. Morin et al. / NPG)

Heutige Computerfestplatten speichern die Daten in Form magne­tischer Bits, die durch Anlegen eines magne­tischen Feldes geschrieben werden. Dem­gegen­über hätten Speicher­medien auf der Basis von Multi­ferroika einige Vor­teile: Die magne­tische Daten­speiche­rung würde durch Anlegen einer elek­tri­schen Spannung erfolgen, was deutl­ich weniger Energie benö­tigen würde. Die Geräte würden weniger Abwärme produ­zieren und hätten daher auch einen gerin­geren Bedarf an Kühlung. Aller­dings konnten bisher fast aus­schließ­lich Materi­alien geschaffen werden, die sich bei sehr tiefen Tempe­ra­turen von typischer­weise minus 200 Grad Celsius multi­ferroisch ver­halten. Das neue Material der PSI-Forscher ist daher eine Neuheit.

Erreicht haben die Forschenden ihr neues Material, indem sie sowohl die chemische Zusam­men­setzung des Materials als auch den genauen Her­stel­lungs­prozess maß­schnei­derten. Schließ­lich zeigte sich: Das Material mit der chemischen Formel YBaCuFeO5 ist geeignet und zeigt dann die besten Ergeb­nisse, wenn es erst hoch erhitzt und dann extrem rasch und sehr stark abge­kühlt wird. Bei der hohen Tempe­ratur ordnen sich die Atome so an, wie es für die Anwen­dung dien­lich ist. Die rasche Abküh­lung friert dann diese Anord­nung quasi ein. Die PSI-Forscher erhitzten das Material erst auf 1000 Grad Celsius und kühlten es dann schlag­artig und kurz­fristig auf minus 200 Grad Celsius. Nach­dem das Material aus dem Kühl­bad ent­nommen wird, behält es seine beson­deren magne­tischen Eigen­schaften bis zu Raum­tempe­ratur und etwas darüber.

Seine Eigenschaften verdankt das neue Material magnetischen Spiralen auf der Ebene der Atome. Die winzigen Spiralen sorgen für die Kopplung des Magne­tismus und der Ferro­elek­tri­zität. In den meisten Materi­alien jedoch ver­schwinden die magne­tischen Spiralen, wenn das Material wärmer als rund minus 200 Grad Celsius wird.

PSI / RK

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