Magnetische Nanoknoten als Speicher

  • 09. August 2013

Forscher nutzen erstmalig Skyrmionen zur Datensicherung.

Physikern der Universität Hamburg ist es gelungen, einzelne magnetische Skyrmionen – eine Art magnetischer Knoten – individuell zu schreiben und zu löschen. Solche wirbelförmigen magnetischen Strukturen besitzen außergewöhnliche Eigenschaften und sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Datenspeicher. Skyrmionen sind bereits seit einigen Jahren Gegenstand aktiver Forschung. Doch bisher waren diese Strukturen lediglich ein Untersuchungsobjekt, eine gezielte Manipulation fand nicht statt.

Abb.: Daten einer spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie-Messung hinterlegt mit der Magnetisierung der Probe. (Bild: AG Wiesendanger, U. Hamburg)

Abb.: Daten einer spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie-Messung hinterlegt mit der Magnetisierung der Probe. (Bild: AG Wiesendanger, U. Hamburg)

Genau dies ist den Hamburger Forschern aus der Gruppe um Roland Wiesendanger jetzt mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops nun gelungen: Die Wissenschaftlern haben die Erzeugung und die Auslöschung einzelner Skyrmionen demonstriert, was dem „Speichern“ und „Löschen“ von Informationen auf einem Datenträger entspricht. Durch diese Arbeit wird eines der fundamentalen technischen Probleme gelöst, um Skyrmionen zukünftig in der Informationstechnologie nutzen zu können.

In den bisher verwendeten konventionellen Speichern bestehen die magnetischen Bits, ähnlich wie klassische Stabmagnete, aus vielen Atomen mit einer parallelen Anordnung ihrer magnetischen Momente und können entsprechend ihrer magnetischen Ausrichtung die Werte „1“ und „0“ darstellen. Durch die stetige Miniaturisierung findet aufgrund des magnetischen Streufeldes eine zunehmend stärkere Wechselwirkung zwischen benachbarten Bits statt, was zu Datenverlust führen kann. Zudem sind kleine magnetische Bits gegenüber thermischen Fluktuationen nicht besonders stabil, was auch als superparamagnetisches Limit bezeichnet wird.

Ein Ausweg aus dieser technologischen Sackgasse könnte die Verwendung „robusterer“ magnetischer Strukturen wie beispielsweise Skyrmionen sein. Diese Strukturen kann man sich bildlich als einen zweidimensionalen Knoten vorstellen bei dem sich die magnetischen Momente mit einem einheitlichen Drehsinn innerhalb einer Ebene um 360 Grad drehen. Diese magnetischen Knoten haben Teilchencharakter und man kann ihnen eine Art Ladung – die topologische Ladung – zuordnen, womit es möglich wird, mit einem Skyrmion die Bit-Zustände „1“ (es gibt ein Skyrmion) und „0“ (es gibt kein Skyrmion) darzustellen.

Die Experimentalphysiker in Hamburg bearbeiteten einen zwei Atomlagen dicken Film aus Palladium und Eisen auf einem Iridium-Kristall. Bringt man diese Probe in ein magnetisches Feld, lassen sich mithilfe eines spinpolarisierten Rastertunnelmikroskops einzelne und räumlich feste Skyrmionen mit einer Größe von wenigen Nanometern beobachten. Bei der Erzeugung eines Skyrmions mit einem kleinen elektrischen Strom aus der Mikroskopspitze verwirbelten die sonst parallel ausgerichteten magnetischen Momente so, dass sich eine Art zweidimensionaler Knoten bildete, beim Löschen wurde der Knoten wieder gelöst.

„Endlich haben wir ein magnetisches System gefunden, in dem wir lokal zwischen gewöhnlicher ferromagnetischer Ordnung und komplexer Spinanordnung hin und herschalten können“, begeistert sich Kirsten von Bergmann, langjähriges Mitglied der Arbeitsgruppe Wiesendanger. Auf einem Probenausschnitt konnten die Forscher vier Skyrmionen gezielt erzeugen und auflösen.

Ob und wann Skyrmionen als Datenspeicher in unseren Computern, Tablet-PCs und Smartphones eingesetzt werden können, lässt sich heute noch nicht sagen. Das experimentell realisierte Schreiben und Löschen von Skyrmionen hat aber die Machbarkeit dieser Technologie bewiesen.

SFB 668 / PH

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