Magnetspeicher in Superzeitlupe

  • 26. November 2014

Beobachtung magnetischer Wirbel ermöglicht besseres Verständnis der Dynamik magnetischer Speichermaterialien.

Beobachtungen mit einem Röntgenmikroskop zeigen, wie sich magnetische Wirbel in ultraschnellen Speicherzellen ausbilden. Die Arbeit ermögliche ein besseres Verständnis der Dynamik magnetischer Speichermaterialien, so die Wissenschaftler um Philipp Wessels von der Universität Hamburg.

Magnetspeicher

Abb.: Darstellung der Magnetfeldrichtung in der Speicherzelle. (Bild: P. Wessels, U Hamburg)

„Zum ersten Mal lässt sich mit unseren Aufnahmen in Echtzeit verfolgen, wie die Magnetisierung genau abläuft", erläutert Wessels. „Damit lässt sich das Schalten dieser Magnetzellen erstmals im Detail beobachten.“ Die Forscher haben für ihre Untersuchung eine Speicherzelle bestehend aus einer Legierung aus Nickel und Eisen gewählt, die sich in weniger als einer milliardstel Sekunde magnetisieren lässt.

Mit einem eigens konstruierten Röntgenmikroskop konnten die Wissenschaftler verfolgen, wie eine Speicherzelle gelöscht und neu beschrieben wird. Die extrem kurzen Röntgenblitze von DESYs Forschungslichtquelle PETRA III ermöglichten dabei eine Zeitauflösung von 200 Pikosekunden. Die Magnetisierung lässt sich daran ablesen, wie stark einzelne Bereiche der Probe das polarisierte Röntgenlicht schlucken. Das Röntgenmikroskop kann dabei noch 60 Nanometer kleine Details erkennen.

Für ihre Untersuchungen nutzten die Forscher winzige, quadratische Nickel-Eisen-Speicherzellen mit einer Kantenlänge von zwei Mikrometern. Diese Speicherzellen formen in ihrem Inneren vier magnetische Bereiche aus, sogenannte Domänen, zwischen denen sich die Magnetisierung entweder mit oder gegen den Uhrzeigersinn ändert. Diese magnetischen Domänen sind dreieckig und ihre Spitzen treffen sich in der Mitte der Speicherzelle. Auf diese Weise entsteht im Zentrum der Zelle ein magnetischer Wirbelkern.

Wird eine Speicherzelle durch ein äußeres Magnetfeld gelöscht, wandert der Magnetwirbelkern aus ihr heraus. Die Untersuchungen zeigen, dass der Kern mit über 3600 Kilometern pro Stunde aus der Speicherzelle hinaus schießt. Das äußere Magnetfeld erzwingt in der gesamten Speicherzelle eine einheitliche Magnetisierung. Wird es abgeschaltet, bildet die Zelle erneut die vier magnetischen Domänen und einen zentralen Wirbel aus – je nach Richtung des äußeren Magnetfelds ist sie damit neu beschrieben worden. Dieser Vorgang ist jedoch komplex. „Der Vier-Domänen-Zustand entwickelt sich über ein kompliziertes Zickzackmuster, und die Entstehung dieses Zustandes konnten wir live beobachten“, berichtet Wessels. Das Verhalten deckt sich mit Ergebnissen aus Simulationsrechnungen.
Die Untersuchungen haben praktische Relevanz für die Speichertechnologie. „Zwar kommen heute in Laptops und anderen mobilen Geräten immer häufiger nichtmagnetische Speichermaterialien wie beispielsweise Flash-Speicher zum Einsatz, aber wenn es um große Datenmengen geht, sind magnetische Datenspeicher konkurrenzlos günstig“, so Wessels. „Der Trend geht zum Speichern in der Cloud, und die Cloud ist magnetisch.“ Ein besseres Verständnis der Magnetdynamik kann dabei zu schnelleren und leistungsfähigeren Speichermaterialien führen.

DESY / RK

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