Verknotete molekulare Magnete

  • 22. October 2014

Effizienter Informationstransport durch organische Moleküle und Skyrmionen.

Auf der Suche nach neuen Konzepten für zukünftige Informationstechnologien ist es Wissenschaftlern der Uni Hamburg und des Forschungszentrums Jülich gelungen, molekulare Magnete über ein Gitter aus magnetischen Skyrmionen zu koppeln und digitale Informationen zu übertragen. Dieser Informationstransport funktioniert auch über längere Strecken. Dabei wird lediglich der Elektronen-Spin benutzt, weshalb die Daten-Übertragung im Gegensatz zu herkömmlichen elektronischen Bauteilen kaum Energie verbraucht und mit sehr hoher Geschwindigkeit abläuft.

Skyrmionengitter und Ferromagnete unter den organischen Molekülen ist hier kombiniert mit den realen Messdaten

Abb.: Die Darstellung des Skyrmionengitters und der Ferromagnete unter den organischen Molekülen ist hier kombiniert mit den realen Messdaten (Mitte; Bild: J. Brede, R. Wiesendanger, UHH)

Getrieben von der rasanten Entwicklung der Informationstechnologie gerade im mobilen Bereich stößt die herkömmliche Halbleiter-Technologie bald an ihre Grenzen. Daher wird schon lange nach neuen effizienten Konzepten für den Informationstransport und die Informationsverarbeitung auf kleinstmöglicher Skala gesucht. Einen viel versprechenden Ansatz bietet die Nano-Spintronik, da hier nicht die Ladung der Elektronen genutzt wird, sondern nur deren Spin. Bereits 2011 hatten Hamburger Physiker ein Spintronik-Logik-Element vorgestellt, das aus ein paar einzelnen Atomen aufgebaut ist, aber nur bei Temperaturen um den absoluten Nullpunkt funktioniert. Also suchten sie nach „robusteren“ magnetischen Strukturen, die auch bei höheren Temperaturen stabil sind. Dazu boten sich die 2011 in Hamburg entdeckten magnetischen Skyrmionen auf einer Oberfläche an, die man sich als magnetische zweidimensionale Knoten vorstellen kann, bei denen sich die magnetischen Momente mit einem festen Drehsinn innerhalb einer Ebene um 360 Grad drehen.

Doch wie lässt sich dieses Skyrmionengitter für den Datentransport und die Informationsverarbeitung nutzen? Die Wissenschaftler wiederholten zunächst das Experiment von 2011 und erzeugten einen atomar dünnen Eisenfilm auf einer Iridium-Oberfläche. Das entstandene Skyrmionengitter ließ sich jedoch aufgrund seiner hohen Stabilität von außen nicht beeinflussen, noch konnte es Informationen weiterleiten. Um dieses Problem zu lösen, brachten sie kostengünstige und leicht zu präparierende organische Moleküle auf das Skyrmionengitter auf. Die Moleküle verbanden sich mit den darunterliegenden Eisenatomen der Oberfläche zu molekularen Magneten, die sich ähnlich wie klassische Stabmagnete verhalten und sich etwa mit Hilfe eines externen magnetischen Felds ausrichten lassen. So konnten sie je nach Art der organischen Moleküle unterschiedlich große, maßgeschneiderte Ferromagnete erzeugen, die zwischen zehn und hundert Eisenatome enthalten.

Obwohl die überraschend einfache und effiziente Methode des Maßschneiderns von Magneten auf Ober-flächen bereits Potential für Anwendungen in Speichermedien besitzt, ist die bemerkenswerteste und für die Physiker interessanteste Beobachtung, dass sich die molekularen Magnete durch das Skyrmionengitter miteinander „verknoten“ lassen: Drehten sie die magnetische Ausrichtung eines molekularen Magneten mit Hilfe eines externen magnetischen Felds um, so drehte sich ebenfalls die magnetische Ausrichtung eines weiteren, weit entfernten molekularen Magneten.

Mit dieser Methode lassen sich Informationen auch über längere Strecken sicher, schnell und energieeffizient übertragen, da der eigentliche Transport ohne elektrischen Strom abläuft. Auch sind mit diesem System logische Schaltkreise vorstellbar, die extrem energieeffizient, sehr schnell und unvorstellbar klein sein könnten. Außerdem hätte die Verwendung des Spins als Übermittler der Information einen weiteren Vorteil: es bleiben alle Informationen auch nach dem Ausschalten eines Bauteils erhalten, da diese mag-netisch und nicht elektronisch gespeichert sind. Dies würde beim Starten eines Gerätes den langwierigen Bootvorgang überflüssig machen, das System würde einfach weiter machen, als wäre es nie ausgeschaltet worden.

SFB668 / OD

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