Mikroskopischer Magnetisierungsschalter

  • 07. September 2015

Gezielte Steuerung magnetischer Wirbelkerne eröffnet neue Möglichkeiten in der Datenverarbeitung.

Anwendungen immer kleiner zu machen und sie um neue Funktionen zu erweitern – das ist das grundlegende Ziel der Forschung im Bereich Nano­,technologie. Einem internationalen Forscherteam gelang es nun, die Orientierung einer nur rund zehn Nanometer großen magnetischen Struktur kontrolliert zwischen zwei stabilen Zuständen zu schalten. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für zukünftige Bauteile im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie sowie für magnetische Sensoren.

Mikro-Magnetschalter

Abb.: Schematische Darstellung des Schaltvorgangs eines Wirbelkerns (schwarzer/weisser Pfeil), wenn dieser eine Domänenwand (DW) an der Grenze zwischen zwei entgegengesetzt ausgerichteten Streifendomänen in den Co/Pd-Multilagen (helle und dunkle Regionen) überschreitet. Der Pfad, dem der Wirbelkern folgt, ist in grün eingezeichnet. (Bild: P. Wohlhüter et al. / NPG)

Die Wissenschaftler stellten mikrometergrosse Quadrate aus magnetischen Dünnschichtfilmen, bestehend aus zwei magnetischen Schichten, her. Die Magnetisierungsausrichtung der oberen Schicht lag dabei in der Ebene, wohingegen die Magnetisierung der unteren Schicht senkrecht zur Ebene des Quadrats gerichtet war. Die obere Schicht bestand aus Permalloy, kurz Py, einer Legierung aus achtzig Prozent Nickel und zwanzig Prozent Eisen, die untere Schicht aus Kobalt/Palladium-Multilagen. In der Py-Schicht entsteht ein magnetischer Wirbel, der dadurch gekennzeichnet ist, dass sich die Magnetisierung in der Ebene um einen winzigen, jedoch stabilen Kern dreht, dessen Magne­ti­sierung aus der Ebene zeigt. In den Co/Pd-Multilagen bilden sich labyrinthartige Streifendomänen aus, deren Magnetisierung in ab­wech­seln­der Richtung aus der Ebene heraus zeigt. Experimente am Raster­trans­missions-Röntgenmikroskop an der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz zeigen, dass die Wechselwirkung zwischen den Schichten zu einer gegenseitigen Einprägung der Domänen führt: Der Wirbelzustand, der von der in der Ebene magnetisierten Py-Schicht herrührt, ist auch in den senkrecht zur Ebene magnetisierten Co/Pd-Multilagen sichtbar. Gleichzeitig spiegeln sich die Streifendomänen der Co/Pd-Schicht im Py wider. Darüber hinaus ist der Py-Wirbelkern im Zentrum der eingeprägten Streifendomänen als weisser Punkt sichtbar.

Die gegenseitige Domäneneinprägung wurde von den Wissenschaftlern dazu genutzt, die Orientierung des Wirbelkerns zu steuern. Dazu wurde zunächst ein magnetisches Wechselfeld angelegt, das den Kern in eine Dreh­be­wegung versetzte. Diese Drehbewegung war auf eine Streifendomäne begrenzt. Die Drehrichtung – im Uhrzeigersinn oder dagegen – war dabei durch die Orientierung der senkrechten Kernmagnetisierung bestimmt. Wurde der Kern mit Hilfe eines zusätzlichen, statischen Magnetfelds über die Grenze zwischen zwei entgegengesetzt magnetisierten Streifendomänen geschoben, änderte sich seine Drehrichtung, was darauf schliessen lässt, dass die Kernmagnetisierung umgedreht wurde. Computersimulationen erlaubten ein detailliertes Verständnis dieses neuen Schaltmechanismus und bestätigten, dass die Streifendomänen als lokale Schalter für die Wirbelkern-Magnetisierung wirken.

Die Möglichkeit, die magnetische Orientierung eines Ferromagneten im Nanometerbereich gezielt zu steuern, gilt als vielversprechender Ansatz für die Entwicklung zukünftiger Mikrowellen-Oszillatoren. Dabei können rotierende Wirbelkerne für die Erzeugung von Mikrowellen-Signalen verwendet werden. Das wiederum könnte neuartige spintronische Bauelemente mit ver­gleichs­weise geringer Abwärme und geringem Energieverbrauch ermöglichen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des mikroskopischen Magnetisierungs­schalters ist das Detektieren von geringen Molekülemengen in Flüssigkeiten, was für biologische und umwelttechnische Anwendungen interessant ist. So könnte zum Beispiel ein funktionalisiertes magnetisches Nanopartikel durch das Streufeld, das durch den Wirbelkern erzeugt wird, eingefangen werden. Wenn nun eine Flüssigkeit über die magnetische Oberfläche geleitet wird, binden spezifische Moleküle an das Nanopartikel auf Grund der ent­sprechenden Oberflächen-Funktionalisierung des Partikels. Dies führt zu einer Änderung der Resonanzfrequenz der Wirbelkernrotation.

PSI / RK

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