Skyrmionen Kompakte und langlebige Datenspeicher mit magnetischen Monopolen

Redakteur: Hendrik Härter

Forscher haben eine neue Möglichkeit entdeckt, Daten magnetisch zu speichern. Mit Hilfe von Skyrmionen lassen sich Informationen speichern und wieder löschen.

Datenspeicher aus magneischen Wirbeln: Gitter aus Spinwirbeln
Datenspeicher aus magneischen Wirbeln: Gitter aus Spinwirbeln
(Bild: TUM)

Jedem ist der Versuch bekannt, bei dem Eisenspäne auf ein Blatt Papier verteilt werden, unter dem ein Stabmagnet liegt. Die Späne ordnen sich dabei entlang der Feldlinien aus und zeigen Nord- und Südpol des Magneten. Egal wie oft man ihn teilt, der Stabmagnet weist immer einen Nord- und einen Südpol auf.

Anfang der 30er-Jahre des vorigen Jahrhunderts jedoch postulierte der Physiker Paul A. M. Dirac ein Teilchen, das als magnetisches Pendant des Elektrons nur einen der beiden Pole besitzen und nur eine magnetische Elementarladung tragen sollte.

Auf der Suche nach einer einfachen Methode, um magnetische Wirbel auf einfache Weise zu beobachten, kooperierten Forscher um TUM-Physiker Prof. Christian Pfleiderer zunächst mit der Gruppe um Professor Lukas Eng an der TU Dresden, die ein Magnet-Kraftmikroskop besitzen.

Als sie mit diesem Mikroskop die Oberfläche der Materialien abtasteten, beobachteten sie die Wirbel nicht nur zum ersten Mal direkt sondern auch, dass benachbarte Skyrmionen miteinander verschmelzen. Bei Skyrmionen handelt es sich um Wirbelstrukturen, die sich mit Hilfe magnetischer Monopole löschen lassen.

Kleinstes Speicherbit ist 15 Atome groß

Computersimulationen der Kölner Kooperationspartner um Professor Achim Rosch und Experimente an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der TUM zeigten, dass hier magnetische Monopole am Werk waren, die die Wirbel wie ein Reißverschluss zusammen ziehen. Damit ist es nicht nur möglich, in Skyrmionen gespeicherte Informationen zu lesen, sondern sie auch wieder zu löschen.

Eine wichtige Anwendung der magnetischen Wirbel könnten zukünftige, extrem kompakte und langlebige Datenspeicher sein. Während man für ein magnetisches Speicherbit einer modernen Festplatte etwa eine Million Atome braucht, sind die kleinsten bekannten Skyrmionen in magnetischen Materialien nur etwa 15 Atome groß.

Weniger Energie für die Datenspeicherung

Schematische Darstellung des Verschmelzen zweier Wirbelschläuche, so genannter Sykrmionen, in der magnetischen Struktur einer Substanz. Der Verschmelzungspunkt besitzt die Eigenschaften eines magnetischen Monopols. Durch die Bewegung des Monopols (Verschmelzungspunkts) entlang der Wirbelschläuche verschwinden oder entstehen Skyrmionen.
Schematische Darstellung des Verschmelzen zweier Wirbelschläuche, so genannter Sykrmionen, in der magnetischen Struktur einer Substanz. Der Verschmelzungspunkt besitzt die Eigenschaften eines magnetischen Monopols. Durch die Bewegung des Monopols (Verschmelzungspunkts) entlang der Wirbelschläuche verschwinden oder entstehen Skyrmionen.
(Ch. Schütte/Universität Köln)
Gleichzeitig benötigt das Verschieben der Wirbel 100.000 mal weniger Strom als das Verschieben magnetischer Speicherbits auf der Basis konventioneller magnetischer Materialien, so dass man Informationen so besonders kontrolliert verarbeiten könnte. Die vielleicht interessanteste Eigenschaft der Skyrmionen ist jedoch, dass sie wie ein Knoten in einer Schnur, besonders stabil sind.

Entdeckt wurden die magnetischen Wirbelstrukturen im Jahre 2009 bei Neutronenstreu-Experimenten an Mangansilizid in der Forschungs-Neutronenquelle FRM II durch ein Team um Christian Pfleiderer und Achim Rosch. Seit dem verzeichnet das neue Forschungsgebiet weltweit großes Interesse und rasante Fortschritte. Bisher waren extrem tiefe Temperaturen für Skyrmonen notwendig. Heute sind Materialien verfügbar, damit sie auch bei Raumtemperatur auftreten können. Um diese Wirbelstrukturen beobachten zu können und technisch nutzbar zu machen, sind magnetische Kraftmikroskope eine Voraussetzung.

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