Strom bewegt Skyrmionen

  • 20. December 2010

Kopplung zwischen magnetischen Wirbeln und sehr schwachem Strom könnte erheblich schnellere und effizientere Datenspeicherung ermöglichen.

Schneller, kleiner und energiesparender sollen die Rechner der Zukunft sein. Dazu müssen die Daten schneller geschrieben und verarbeitet werden. Diesem Ziel sind Physiker der Technischen Universität München (TUM) und der Universität zu Köln nun ein Stück näher gekommen. Die Experimentalphysiker der TUM setzten in einem Material ein Gitter aus magnetischen Wirbeln mit einem elektrischen Strom in Bewegung, der fast eine Million Mal schwächer war als in früheren Studien. Beobachtet haben sie die Koppelung zwischen elektrischem Strom und magnetischer Struktur mit Messungen an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der TUM.

Abb.: Ein Elektron (schwarze Kugel) fliegt über ein Gitter von magnetischen Wirbeln (Skyrmionen). Die dabei übertragenen Kräfte erlauben es, die magnetischen Strukturen mit relativ kleinen Strömen zu kontrollieren.

Bereits 2009 entdeckten Christian Pfleiderer und sein Team vom Physik-Department der TUM in einem Kristall aus Mangansilizium eine völlig neuartige magnetische Struktur, ein Gitter aus magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Angeregt wurden die Experimente in Garching durch theoretische Vorhersagen von Achim Rosch an der Universität zu Köln und Rembert Duine an der Universität Utrecht. Sie erwarteten sich neue Ergebnisse im Bereich der sogenannten Spintronics, Nanoelektronik-Bausteine, die nicht nur die elektrische Ladung von Elektronen sondern auch ihr magnetisches Moment, den Spin, zur Informationsverarbeitung nutzen.

Als die Wissenschaftler um Pfleiderer einen elektrischen Strom durch das Material Mangansilizium schickten, beobachteten sie mit Hilfe von Neutronen am FRM II eine Drehung des Gitters aus magnetischen Wirbeln, die aber zunächst unerklärt blieb. In der Folge versuchte das Team mit weiteren Messungen am Instrument MIRA der Neutronenquelle aufzuklären, warum sich das Gitter unter Strom dreht. Die Berechnungen der Theoretiker widersprachen anfangs den Ergebnissen der Experimente in Garching. „Die magnetische Struktur dreht sich, weil die Richtung des elektrischen Stroms äußerst effizient quantenmechanisch abgelenkt wird“, erklärt Pfleiderer. Wenn ein Elektron durch den magnetischen Wirbel fliegt, orientiert sich der Elektronenspin an dem Wirbel. So erzeugt der elektrische Strom eine Kraft auf die magnetischen Wirbel, die diese schließlich zum Fließen bringt.

Nach weiteren Messungen stellten Pfleiderer und Rosch schließlich fest, dass die neu entdeckten Gitter aus magnetischen Wirbeln Eigenschaften besitzen, die in der Nanotechnologie schon länger von Interesse sind und unter anderem zu neuen Datenspeichern führen könnten. Insbesondere sind die magnetischen Wirbel sehr stabil und zugleich extrem schwach im Material verankert, so dass schon kleinste elektrische Ströme Verschiebungen ermöglichen. Auf diese Weise könnten Daten in Zukunft erheblich schneller und effizienter geschrieben und verarbeitet werden.

Technische Universität München / AL


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