Schnell gedreht speichert besser

  • 12. September 2013

Rasche Bewegung ferromagnetischer Domänenwände kaschiert Materialdefekte.

Auf der Suche nach immer kleineren Bauteilen für die Datenspeicherung und neuartigen Sensoren haben Physiker der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) die Vorgänge in magnetischen Nanodrähtchen direkt beobachtet und damit den Weg für weitere Forschungen auf dem Gebiet des Nanomagnetismus geebnet. Hierbei nutzten sie kleine magnetische Domänenwand-Strukturen in einem Nanodraht, um Informationen zu speichern oder etwa um Winkeländerungen zu detektieren. Erste Anwendungen, die auf dem Prinzip von magnetischen Domänenwänden beruhen, werden bereits in der Sensortechnologie eingesetzt. Mit den jetzigen Beobachtungen konnten die Forscher vorhergesagte Zusammenhänge erstmals experimentell durch direkte Abbildung festhalten.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines ferromagnetischen Rings

Abb.: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines ferromagnetischen Rings: Die Magnetisierung (Schwarz-Weiß-Kontrast) zeigt entlang des Rings und bildet zwei Domänenwände. (Bild: André Bisig)

An der JGU untersucht die Arbeitsgruppe von Mathias Kläui die Eigenschaften magnetischer Domänen und die Dynamik von Domänen und Domänenwänden in nanoskopisch kleinen Ringen. An diesen Ringen von etwa vier Mikrometer Durchmesser, bestehend aus der weichen ferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung Permalloy, konnten die Forscher nun die Bewegungen der Domänenwand direkt beobachten. Hierzu arbeiteten die Mainzer mit Wissenschaftlern der Synchrotronanlagen BESSY-II des Helmholtz-Zentrum Berlin und der Advanced Light Source des Lawrence Berkeley National Laboratory zusammen, sowie mit der TU Berlin und dem MPI für Intelligente Systeme in Stuttgart.

Wie die Wissenschaftler beobachten konnten, oszilliert die Geschwindigkeit der Domänenwände ständig. „Das ist ein neuer Effekt, den man vielleicht in Zukunft nutzen könnte“, erklärt André Bisig. Es zeigte sich außerdem, dass die angewandte Methode sehr gut funktioniert, um die Domänenwände zuverlässig bei sehr hohen Geschwindigkeiten zu bewegen. „Je schneller wir die Domänenwand drehen, desto einfacher ist es, sie zu kontrollieren“, so Bisig. Eine weitere Beobachtung betrifft die Auswirkungen, die von Unregelmäßigkeiten oder Defekten in den Nanodrähten ausgehen. Diese Auswirkungen machen sich nur bei langsamen Domänenwänden bemerkbar. Je schneller eine Domänenwand gedreht wird, umso weniger spielen Defekte im Material eine Rolle.

Während sich die Grundlagenforschung auf die Beobachtung der Domänenwandgeschwindigkeit und den Zusammenhang mit der Oszillation in der Spinstruktur bezieht, haben die Ergebnisse auch wichtige Konsequenzen für die anwendungsorientierte Forschung. So werden Domänenwand-basierte Sensoren bereits von der Mainzer Firma Sensitec bei zwei vom Land Rheinland-Pfalz geförderten Projekten genutzt: der Spintronik-Technologieplattform in Rheinland-Pfalz (STeP) und dem Technologietransfer-Dienstleistungszentrum für Neue Materialien (TT-DINEMA).

„Insbesondere unsere Beobachtung der störungsfreien Domänenwandbewegung bei hohen Domänenwandgeschwindigkeiten liefert einen vielversprechenden Ansatz, um diese Nanostrukturen für ultraschnell rotierende Sensoren zu nutzen“, sagt Kläui. Seine Forschungen werden durch einen ERC Starting Grant und die Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ) gefördert. Außerdem hat die Zusammenarbeit mit Sensitec zu einem gemeinsamen EU-Projekt mit sieben weiteren führenden Partnern geführt, das im Oktober 2013 die Arbeit aufnimmt: „Controlling domain wall dynamics for functional devices“.

JGU / DE

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