Magnetwirbel in Nano-Scheiben geben Informationen preis

  • 03. March 2015

Forscher nutzen Mikrowellen zum Auslesen von kleinsten Datenspeichern.

Magnetwirbel in Nano-Scheiben senden charakteristische Mikrowellen aus. Einem internationalen Forscherteam gelang es erstmals, mithilfe dieser Mikrowellen die Ausrichtung der Magnetwirbel elektrisch auszulesen. Damit könnten die extrem kleinen Bauteile künftig für neuartige Speicher und die drahtlose Datenübertragung eingesetzt werden.

Doppelwirbel-Zustände

Abb.: Vier Beispiele der untersuchten Doppelwirbel-Zustände mit entgegengesetzten Drehrichtungen der Wirbel. Die gelben, flachen Pfeile in den Scheiben stellen die Drehrichtung der Magnetisierung dar. Die Polarität der Wirbelkerne ist mit roten und grünen Pfeilen dargestellt. Der Kern mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern hat einen überraschend großen Einfluss auf die Dynamik der Magnetisierung, wenn ein Strom durch die Doppelwirbel-Türmchen fließt. (Bild: HZDR / FZJ)

Die innere Spin-Anordnung von Elektronen in magnetischen Nano-Scheiben steht seit einigen Jahren im Zentrum der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit. Der Elektronenspin verursacht ein magnetisches Moment des Elektrons, das unter anderem dafür sorgt, dass Eisen magnetisch ist. Dort sind die Spins aller Elektronen parallel zueinander ausgerichtet. Bei den Nano-Scheiben, sehr dünnen und kleinen Schichten, kann es jedoch zu einer wirbelförmigen Anordnung kommen. Seit Forscher von dieser komplexeren Struktur wissen, versuchen sie, diese Eigenschaften für äußerst platz- und energiesparende Datenspeicher zu nutzen.

In Nano-Scheiben sind die Spins so angeordnet, als hätte man gewöhnliche Stabmagneten in einem Kreis aneinandergereiht. Im Kern der Scheibe funktioniert diese Ordnung jedoch nicht mehr, deshalb richten sich die Magnete aus der Ebene heraus nach oben oder unten aus. „Über diese beiden Eigenschaften, die Drehrichtung in der Ebene und die magnetische Orientierung im Kern, lassen sich Informationen speichern“, erklärt Attila Kákay vom Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf. „Damit können wir pro Wirbel bereits zwei Bit an Informationen speichern. Werden zwei dieser Wirbelmagnete übereinander gestapelt, sind es bereits vier Bit, also ein System mit 16 verschiedenen Zuständen.“

Ein solches Doppelwirbel-Türmchen ist 50 Nanometer hoch und hat einen Durchmesser von nur 150 Nanometern – fast tausend Mal dünner als ein menschliches Haar. Doch während die Drehrichtung der Wirbel und die Kernorientierung sich noch recht einfach durch Ströme und Magnetfelder beeinflussen lassen, war die geringe Größe der Nano-Scheiben beim Auslesen der Informationen bislang ein Hindernis: „Die magnetische Orientierung im Kern, die Polarität, konnte nicht verlässlich gelesen werden, weil der Kern einfach zu winzig ist“, so Kákay. Bei Experimenten am FZ Jülich fanden die Forscher dafür jedoch eine Lösung: Mikrowellen, die von den Doppelwirbeln bei angelegtem Gleichstrom erzeugt werden. Die spezifischen Frequenzen der Mikrowellen nutzen die Forscher nun, um die Polarität und die Drehrichtung der Wirbel zu bestimmen.

Mit dem neuen Verfahren haben die Wissenschaftler Nano-Bauteile entworfen, die nicht nur Informationen mit Hilfe der Magnetwirbel speichern, sondern die auch zuverlässig elektrisch ausgelesen werden können. In Zukunft könnten damit weitaus mehr Daten auf immer kleineren Speicher­bausteinen untergebracht werden und in moderner Elektrotechnik zur Anwendung kommen. Zudem kann die Frequenz der Wechselspannung bis in den Gigahertz-Bereich reichen, was die ultraschnelle, drahtlose Über­tragung von Informationen möglich macht, zum Beispiel beim Mobilfunk oder im WLAN.

HZDR / FZJ / RK

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