Magnetwirbel in Nano-Scheiben geben Informationen preis

Forscher aus Dresden und Jülich nutzen Mikrowellen zum Auslesen von kleinsten Datenspeichern

Erstmals
ist es gelungen, die Ausrichtung von Magnetwirbeln in Nano-Scheiben
elektrisch auszulesen. Ein Team aus Forschern des Helmholtz-Zentrums
Dresden-Rossendorf (HZDR), des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und des
französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS,
Straßburg) nutzte dafür charakteristische Mikrowellen, die von den
Wirbeln ausgehen. Mit dem neuen Wissen über diese Signale könnten die
extrem kleinen Bauteile für neuartige Speicher und drahtlose
Datenübertragung eingesetzt werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen
werden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Communications (DOI:
10.1038/ncomms7409) veröffentlicht.

Die
innere Spin-Anordnung der Elektronen in magnetischen Nano-Scheiben
steht schon seit einigen Jahren im Zentrum der wissenschaftlichen
Aufmerksamkeit. Der Elektronenspin ist die Eigendrehung des Teilchens um
eine feste Achse. Dieser Spin verursacht ein magnetisches Moment des
Elektrons, das unter anderem dafür sorgt, dass zum Beispiel Eisen
magnetisch ist. Dort nämlich sind die Spins aller Elektronen parallel
zueinander ausgerichtet. Bei sehr dünnen und kleinen Schichten, den
Nano-Scheiben, kann es jedoch auch zu einer wirbelförmigen Anordnung
kommen. Seit Forscher von dieser komplexeren Struktur wissen, versuchen
sie, diese Eigenschaften für äußerst platz- und energiesparende
Datenspeicher zu nutzen. Die könnten zum Beispiel in Smartphones und
Laptops zum Einsatz kommen, wenn es gelingt, gespeicherte Informationen
abzurufen.

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, weshalb sich die Magnete
aus der Ebene heraus nach oben oder unten ausrichten. „Über diese beiden
Eigenschaften, die Drehrichtung in der Ebene und die magnetische
Orientierung im Kern, lassen sich Informationen speichern“, erklärt Dr.
Attila Kákay, der vor kurzem vom Forschungszentrum Jülich nach Dresden
wechselte. „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.“

Kern der Nano-Scheiben ist zu winzig für herkömmliche Auslesemethoden

Ein
solches Doppelwirbel-Türmchen ist dann gerade mal 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 noch recht einfach durch Ströme und Magnetfelder
beeinflusst werden können, war die geringe Größe der Nano-Scheiben beim
Auslesen der Informationen bislang ein Hindernis: „Die magnetische
Orientierung im Kern, die sogenannte Polarität, konnte nicht verlässlich
gelesen werden, weil der Kern einfach zu winzig ist“, so Dr. Kákay. Bei
Experimenten in Jülich fanden die Forscher dafür jedoch eine Lösung:
Mikrowellen. Diese elektrischen Wechselspannungssignale erzeugt ein
Doppelwirbel bei angelegtem Gleichstrom. Die spezifischen Frequenzen der
Mikrowellen nutzen die Physiker nun, um die Polarität und die
Drehrichtung der Wirbel zu bestimmen.

„Das
Prinzip ähnelt dem einer Blockflöte: Auch bei dem Musikinstrument
korrespondiert jeder Griff auf die Tonlöcher eindeutig mit einer ganz
bestimmten Tonlage, also Schwingungsfrequenz“, erklärt Dr. Alina Deac,
Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppe für Spinelektronik am HZDR.

Mit
dem neuen Prinzip haben die Wissenschaftler aus Dresden, Jülich und
Straßburg 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.