Forschung

Rekord: Umschaltung magnetischer Bits in sieben Pikosekunden

11.04.2022 - Beschleunigung der Schreib-/Löschzyklen bei optischer Magnetisierungsumschaltung gelungen.

Die überwiegende Mehrheit digitaler Daten wird magnetisch gespeichert, wobei ein binäres Bit üblicher­weise durch einen Elektro­magneten geschrieben oder gelöscht wird. Da dieses Verfahren in Bezug auf Geschwin­dig­keit und Energie­effizienz grund­legende Beschränkungen aufweist, wird die Entdeckung des rein optischen Schaltens (all optical switching, AOS), das es ermöglicht, ein magnetisches Bit nur mit Hilfe von Licht­pulsen zu schreiben oder zu löschen, als viel­ver­sprechender neuer Ansatz für die künftige Daten­speicher­techno­logie betrachtet. AOS wurde bereits in verschiedenen magnetischen Materialien bestehend aus einem Element der seltenen Erden und einem Übergangs­metall beispiels­weise in ferri­magnetischen Gadolinium-Eisen-Legierungen beobachtet.

Dort führt die optische Anregung mit Femto­sekunden-Laser­pulsen zu einer sehr schnellen Erwärmung der Elektronen zu Werten deutlich oberhalb der Curie-Temperatur und somit zu einem entsprechenden Verlust der Magnetisierung in dem magnetischen Material. Der Austausch von Spin­dreh­impuls zwischen den beiden unter­schied­lichen Elementen kann dann eine Umkehrung der Magneti­sierung bewirken. Entscheidend ist, dass die Temperatur des Atom­gitters nur mäßig erhöht wird, so dass AOS von Natur aus energie­effizient ist. Während dieser Prozess sowohl theoretisch als auch experi­mentell ausgiebig untersucht worden ist, ist nur wenig über die maximalen Frequenzen von Schreib-/Löschzyklen mit aufein­ander­folgenden Laser­pulsen bekannt, obwohl dies entscheidend für den Erfolg von AOS in zukünftigen Daten­speichern ist.

Wissenschaftler des Max-Born-Instituts und der FU Berlin konnten jetzt zwei Strategien umsetzen, um den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufein­ander­folgenden Femto­sekunden-Laser­pulsen zu reduzieren, die die Magneti­sierungs­richtung solcher magnetischen Legierungen immer noch erfolgreich hin- und herschalten können. Erstens konnte durch systema­tische Änderung der Wärme­über­tragungs­raten durch Verwendung von Substraten aus amorphem Glas, kristallinem Silizium oder poly­kristal­linem Diamant gezeigt werden, dass effiziente Kühlraten des magnetischen Systems eine Voraus­setzung für die Beschleunigung der Sequenz des Doppelpuls-Umschaltens sind.

Einen deutlich größeren Einfluss auf die Remagneti­sierungs­rate und damit auf die Frequenz der Schreib/Löschzyklen zeigte sich jedoch erst als das Übergangs­metall Eisen durch Kobalt ersetzt wurde. Beim Vergleich der ultra­schnellen Magneti­sierungs­dynamik einer GdFe- und GdCo-Legierung nach Einzel­puls­anregung zeigte sich, dass die anfängliche Entmagne­ti­sierung sehr ähnlich ist, die Relaxa­tions­rate zu einem umgekehrten magnetischen Zustand aber deutlich unter­schiedlich. Während GdCo seine Magneti­sierung innerhalb von fünf Piko­sekunden auf sechzig Prozent umkehrt, wird der gleiche Wert in GdFe erst nach etwa zwei­hundert Piko­sekunden erreicht. Die Forscher erklären diese Beobachtung mit der stärkeren Austausch­wechsel­wirkung zwischen benach­barten Kobalt Atomen im Vergleich zu benach­barten Eisen Atomen, die zu einer schnelleren magnetischen Ordnung des Übergangs­metall-Unter­gitters führt.

MBI / RK

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