Bessere Kontrolle über Skyrmionen

  • 05. October 2017

Zur magnetischen Datenspeicherung geeignete Nanowirbel lassen sich durch Strompulse gezielt erzeugen und bewegen. 

Die magne­tischen Wirbel der Skyrmionen gelten als Hoffnungs­träger einer effizien­teren Speicher­technik und werden intensiv erforscht. Wissen­schaftler haben jetzt eine Methode zum Erzeugen von Skyrmionen gefunden, die sich direkt im Speicher­chip integrieren lässt und bis in den Gigahertz-Bereich zuverlässig funk­tioniert. Sie haben die kleinen Nanowirbel durch kurze Strompulse gezielt an vorher fest­gelegten Orten erzeugt und dann kontrol­liert bewegt. Durch Holografie mit Röntgen­strahlung haben sie die Skyrmionen abgebildet und direkt nachge­wiesen. Beteiligt waren das Max-Born-Institut für Nicht­lineare Optik und Kurzzeit­spektroskopie (MBI), das Massa­chusetts Institute of Tech­nology (MIT) sowie weitere deutsche Forschungs­einrichtungen.

Abb.: Schematische Darstellung eines Racetrack-Drahtes. Dieser besteht aus einem Stapel von 45 Schichten, die jeweils nur etwa einen Nanometer dünn sind. Im Schema sind nur drei der 45 Schichten dargestellt. Skyrmionen (blau) entstehen in diesem speziellen Materialsystem hinter dem durch die Schlitze geschaffenen Engpass, wenn starke Strompulse durch den Draht geschickt werden. (Bild: M. Eisebitt)

Abb.: Schematische Darstellung eines Racetrack-Drahtes. Dieser besteht aus einem Stapel von 45 Schichten, die jeweils nur etwa einen Nanometer dünn sind. Im Schema sind nur drei der 45 Schichten dargestellt. Skyrmionen (blau) entstehen in diesem speziellen Materialsystem hinter dem durch die Schlitze geschaffenen Engpass, wenn starke Strompulse durch den Draht geschickt werden. (Bild: M. Eisebitt)

Die Wissen­schaftler haben Skyr­mionen erzeugt, indem sie Sandwich-Strukturen aus Platin, einer magne­tischen Legierung bestehend aus Kobalt, Eisen und Bor sowie Magnesium­oxid eingesetzt haben. Felix Büttner vom MIT erklärt: „Aufgrund des Spin-Hall-Effektes und einer speziellen Wechsel­wirkung der Atome an den Grenz­flächen der Materialien lassen sich Skyrmionen durch Strompulse gezielt herstellen. Mit unserer Methode ist das direkt in Racetrack-Strukturen möglich, und zwar an vorher festge­legten Stellen, was ja für ein kontrol­liertes Schreiben von Daten wesentlich ist.“ Die Racetrack-Strukturen sind nanometer­dünne Drähte aus übereinander­gestapelten magne­tischen Materia­lien. Den genauen Erzeugungs­ort der Magnet­wirbel konnten die Forscher durch eine kleine zusätz­liche Verengung im Draht festlegen.

Dass tatsäch­lich die speziellen Skyrmion-Magnet­wirbel erzeugt und mit einem weiteren Strompuls in den Racetrack-Draht geschoben worden sind, haben die Wissen­schaftler am Deutschen Elektronen­synchrotron DESY in Hamburg mit Röntgen­strahlung nachge­wiesen. „Röntgen­holografie erlaubt höchst empfind­lich den Nachweis dieser sehr kleinen magne­tischen Strukturen. Die Magne­tisierungs­wirbel lassen sich so mit einer Auflösung von etwa 20 Nanometern abbilden“, erklärt Bastian Pfau, einer der Wissen­schaftler des MBI-Teams.

Die Wissen­schaftler haben in ihren Unter­suchungen verfolgen können, wie mit einzelnen Strom­pulsen Skyr­mionen erzeugt und dann mit weiteren Pulsen bewegt werden. Wichtig war dabei das Verständnis der grund­legenden Prozesse: Was spielt sich in den wenige Nanometer dünnen Schichten des Materials und an den Grenzflächen ab, wenn einzelne kurze Strompulse mit einer Dauer im Bereich von Nano­sekunden durch das Material geschickt werden? Wie beein­flussen Elektronen von der Platin­schicht aus während der Strom­pulse die Magne­tisierung in der angren­zenden Kobalt­legierung, so dass Skyr­mionen mit bestimmtem Drehsinn entstehen? Hierfür hat das Team seine Beobach­tungen mit mikro­magne­tischen Simu­lationen verglichen, in denen die Prozesse im Computer nachge­bildet werden. „Diese Erkenntnisse zum mikro­skopischen Mechanismus werden uns entscheidend helfen, die Konzepte und Materia­lien für zukünftige Daten­speichertech­nologien weiter­zuent­wickeln“, freut sich Büttner.

Bisher werden einzelne Daten-Bits in der Magne­tisierung dünner magne­tischer Filme gespeichert. Die Bits werden mit einem sich mechanisch bewegenden Schreib-/Lesekopf mit Magnetfeldpulsen auf eine schnell rotierende Scheibe geschrieben, die eigent­liche Fest­platte. Um zukünftig mehr Daten auf gleichem Raum speichern zu können, arbeiten Wissen­schaftler daran, von diesem inhärent zwei­dimensionalen Speicher­verfahren zu einem drei­dimensionalen Verfahren überzugehen. In solchen Racetrack-Speichern sollen die Bits auch als Magne­tisierungs­muster gespeichert werden, nun aber in einer draht­artigen Struktur. Dort können sie zum Lesen und Schreiben wie auf einer Rennbahn – daher der Name – sehr schnell hin und her geschoben werden. Im Gegensatz zu heutigen Fest­platten soll das Schreiben und Verschieben der Bits aus­schließlich mit Hilfe sehr kurzer Strompulse geschehen und damit auf den Einsatz beweg­licher Teile ganz verzichtet werden. Da sich die Race­track-Drähte wie viele parallele Strohhalme in drei Dimen­sionen dicht packen lassen, wären so deutlich höhere Speicher­dichten möglich.

Ein Kandidat für die Darstellung einzelner Bits sind dabei die nanometer­kleinen Wirbel in der Magne­tisierung des magne­tischen Materials, die Skyrmionen. Sie faszi­nieren die Forscher, da sie sich mittels Strom verschieben lassen und dabei sehr stabil sind. Das Vorhan­densein und die Abwesen­heit eines Skyrmions würde dann zukünftig die Bits „0“ und „1“ repräsen­tieren. Um einzelne Skyrmionen kontrol­liert zu erzeugen, waren bisher jedoch sehr auf­wändige Apparaturen nötig – die aktuellen Forschungs­ergebnisse zeigen hier einen neuen Weg auf.

FV Berlin / JOL

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