Ultraschneller photomagnetischer Datenspeicher

  • 19. January 2017

Laserpulse schreiben Magnetbits nichtthermisch innerhalb von Picosekunden.

Magnetische Daten­speicher sind noch immer unschlag­bar, wenn es um eine möglichst große Speicher­kapazität und um eine Wieder­beschreibbar­keit mit hoher Schreib- und Lese­geschwindig­keit geht. Doch statt die magne­tischen Bits wie bisher magnetisch zu schreiben und auszulesen, könnte man dazu auch optische Verfahren benutzen, mit denen eine höhere Übertragungs­rate möglich wird. Auf eine licht­durchlässige ferri­magnetische Schicht kann man mit Laserpulsen schnell und bei geringer Wärmee­rzeugung photo­magnetisch Informa­tionen schreiben, wie nun Experimente in den Nieder­landen zeigen.

Abb.: Auf einer lichtdurchlässigen ferrimagnetische Schicht wurde mit zwei verschiedenen, linear polarisierten Laserpulsen ein Bit geschrieben und anschließend wieder gelöscht. (Bild: A. Stupakiewicz et al. / NPG)

Abb.: Auf einer lichtdurchlässigen ferrimagnetische Schicht wurde mit zwei verschiedenen, linear polarisierten Laserpulsen ein Bit geschrieben und anschließend wieder gelöscht. (Bild: A. Stupakiewicz et al. / NPG)

So hat man mit zirkular polari­sierten Laser­pulsen von hundert Femto­sekunden Dauer in dünnen Metall­schichten die lokale Magne­tisierung zwischen zwei stabilen Zuständen hin und her geschaltet. Auf diese Weise ließen sich magne­tische Bits speichern und auch wieder löschen. Bei diesem Verfahren spielt die Erwärmung des Speicher­materials auf die Curie-Temperatur des magne­tischen Materials eine ent­scheidende Rolle. Es geht somit nicht ohne starke Wärme­erzeugung ab, die eigent­lich uner­wünscht ist.

Viel geringer ist die Wärme­produktion bei dem nicht­thermischen photo­magnetischen Speicher­verfahren, das Forscher um Alexey Kimel von der Radboud Universität in Nimwegen entwickelt haben. Als Speicher­material verwenden sie eine dünne licht­durch­lässige Schicht aus Yttrium-Eisen­granat, in dem ein Teil der Eisenatome durch Kobalt­atome ersetzt wurde. Das ferri­magnetische Dielek­trikum hat eine kubische Kristall­struktur mit zwei antiferro­magnetisch gekoppelten Spin-Untergittern der Eisenionen.

Die Schicht zeigte breite und schmale streifen­förmige magnetische Domänen, deren Magne­tisierung jeweils längs zwei der vier Raumd­iagonalen des Kristall­gitters ausgerichtet war, also entweder längs (1,-1,1) bzw. (1,1,1) oder alternativ längs (1,1,-1) bzw. (1,-1,-1). Die Kobaltionen, die an die Stelle der Eisenionen traten, gaben dem Material eine photo­induzierte magne­tische Aniso­tropie, die es ermög­lichte, optisch zwischen den beiden alter­nativen Mag­netisierungs­zuständen zu schalten.

Dazu haben die Forscher die Schicht mit linear polari­sierten Laser­pulsen von 50 fs Dauer bestrahlt, deren Wellen­länge sie zwischen 1150 nm und 1450 nm variierten. Das Laserlicht regte resonant einen bestimmten Übergang zwischen den d-Orbitalen der Kobalt­ionen an, wodurch die Entartung zwischen den verschiedenen Magne­tisierungs­zuständen aufgehoben wurde. Dadurch ließ sich die Magne­tisierung der Domänen steuern.

So drehte beispiels­weise ein in (1,0,0)-Richtung linear polari­sierter Laserpuls die Magne­tisierung der großen Domänen aus der (1,-1,1)-Richtung in die (1,1,-1)-Richtung. Eine ent­sprechende Drehung trat auch für die kleinen Domänen auf. Mit einem längs (0,1,0) polari­sierten Laser­puls konnten diese Drehungen der Magne­tisierung wieder rückgängig gemacht werden. Auf diese Weise ließ sich die Magne­tisierung aller Domänen in einem etwa 75 µm großen Fleck auf der Schicht zwischen zwei Zuständen hin und her schalten. Der Fleck konnte somit ein Bit speichern.

Bei einem Pump-Probe-Experi­ment wurde die photo­induzierte Mag­netisierungs­änderung nach einer variablen Wartezeit optisch über den Faraday-Effekt abgefragt. Dadurch konnten die Forscher heraus­finden, dass es etwa 60 ps dauerte, bis die Magne­tisierung der Domänen von einem Zustand in den anderen übergegangen war. Solange dauerte es also, bis das magnetisch Bit geschrieben war. Nach Meinung der Forscher ist dies der bisher schnellste magnetische Schreib- und Lese­vorgang überhaupt. Die so geschriebenen Bits blieben dann bei Zimmer­temperatur mehrere Tage erhalten.

Auch in Hinblick auf die Wärme­entwicklung ist das neue Speicher­verfahren konkurrenzlos. Nach den Berechnungen der Forscher würde beim Schreiben eines 20×20×10 nm3 großen Bits eine Wärme­menge von 22 aJ frei. Beim optischen Schreiben eines magne­tischen Bits durch Erhitzen werden etwa 10 fJ frei, verglichen mit 10 bis 100 nJ in herkömmlichen Festplatten und 10 nJ in Flash-Speichern. Diese günstigen Eigen­schaften machen photo­magnetische Speicher für viele Anwendungen interessant.

Rainer Scharf

JOL

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