Speichertechnologien auf Basis magnetischer Nanostrukturen

Mit "Tarnkappe" zu mehr Festplattenkapazität

| Redakteur: Tina Billo

Ein magnetisches Skyrmion mit (links) und ohne "Tarnkappe" (rechts).
Ein magnetisches Skyrmion mit (links) und ohne "Tarnkappe" (rechts). (Bild: © L. Caretta, M. Huang - MIT)

Hersteller sind stets auf der Suche nach neuen Möglichkeiten, mit denen sich die Speicherkapazität magnetischer Festplatten weiter erhöhen lässt. Nun ist es einem Forscherteam des Max-Born-Instituts (MBI), des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und DESY gelungen, das magnetische Streufeld zu reduzieren. Hierfür setzten sie den magnetischen Nanostrukturen in einem Speicherchip eine "Tarnkappe" auf. Ergebnis sind kleine und bewegliche Bits.

Der Ferromagnetismus beruht darauf, dass die Eigendrehung von Elektronen einerseits - der sogenannte Spin - sowie deren Bewegung um den Atomkern andererseits, einen magnetischen Moment erzeugt. Mit diesem ist ein magnetisches Streufeld verknüpft, dass wir von Stabmagneten kennen und nutzen: zum Beispiel, um Zettel an einer magnetischen Pinnwand zu befestigen.

Das magnetische Streufeld wird ebenso genutzt, um magnetisch gespeicherte Information von einer Festplatte zu lesen. In heutigen HDDs ist ein einzelnes magnetisches Bit nur etwa 15 x 45 Nanometer groß - etwa 1.000.000.000.000 von ihnen würden auf eine Briefmarke passen.

Hürde magnetisches Streufeld

Bei neuartigen Konzepten der magnetischen Datenspeicherung werden Bits mittels Strompulsen in einem Chip hin- und hergeschickt, um sie an geeignetem Ort dicht gepackt zum Speichern abzulegen und später wieder auszulesen. Das magnetische Streufeld erweist sich hier als Fluch: Es verhindert, dass sich die magnetischen Strukturen weiter verkleinern lassen und damit Informationen dichter gepackt werden können. Andererseits wird das dem Streufeld zugrunde liegende magnetische Moment gebraucht, um die Strukturen überhaupt zu bewegen.

In neuartigen Konzepten magnetischer Datenspeicherung möchte man solche magnetischen Bits gerne durch Strompulse in einem Speicherchip hin- und herschicken, um sie an geeignetem Ort dicht gepackt zum Speichern abzulegen und später wieder auszulesen.

Getarnte Bits

Den Forschern ist es nun gelungen, kleinen magnetischen Nanostrukturen eine "Tarnkappe" aufzusetzen und zu beobachten, wie klein und schnell solche getarnten Bits sein können. Dazu wurden Atomsorten mit entgegengesetztem Drehsinn der Elektronen und damit entgegengesetztem magnetischem Moment kombiniert. Auf diese Weise lässt sich das magnetische Streufeld reduzieren oder sogar völlig abschalten - die einzelnen Atome in der Nanostruktur haben dabei aber immer noch ein magnetisches Moment, sie tragen quasi nur eine Tarnkappe.

Dennoch war es den Forschen möglich, die kleinen Strukturen abzubilden. Sie bedienten sich dabei der Methode der Röntgenholografie, die es erlaubt, gezielt nur die magnetischen Momente einer einzigen Atomsorte sichtbar zu machen - so konnten die Strukturen ohne ihre Tarnkappe abgebildet werden.

Höhere Speicherdichte

Dabei zeigte sich, dass das geschickte Einstellen der Stärke der Tarnkappe das Verfahren für mögliche Anwendungen als Datenspeicher interessant macht: "In unseren Bildern können wir sehr kleine, runde magnetische Strukturen erkennen. Die kleinsten Durchmesser, die wir gefunden haben, betragen nur zehn Nanometer", so Bastian Pfau vom MBI.

Könnten diese Strukturen zur Datenspeicherung genutzt werden, ließe sich die Speicherdichte gegenüber heutigen Festplatten noch einmal deutlich erhöhen. Weitere Messungen am MIT ergaben zudem, dass sich getarnte Nanomagnete durch Strompulse besonders schnell bewegen lassen - eine wichtige Eigenschaft für die Anwendung. So wurden Geschwindigkeiten von über einem Kilometer pro Sekunde erreicht.

Genaue Justierung der Tarnkappe ist ein Schlüssel

"Dass dies möglich ist, ist eine Konsequenz der Quantenphysik", erklärt Prof. Stefan Eisebitt vom MBI. "Der Beitrag der Drehbewegung eines Elektrons um den Atomkern zum magnetischen Moment ist nur halb so groß wie der Beitrag, den die Drehung des Elektrons um sich selbst liefert." Kombiniert man verschiedene Atomsorten mit unterschiedlichem Drehsinn der Elektronen in einem Festkörper, so kann man die Gesamtdrehung - die Physiker sprechen vom sogenannten Drehimpuls des Systems - daher auslöschen und dennoch ein kleines magnetisches Moment beibehalten.

Da der Drehimpuls zu einer Abbremsung der Bewegung der magnetischen Strukturen durch Strompulse führt, lassen sich mit diesem Ansatz hohe Geschwindigkeiten erzielen. Gelingt es also, die Tarnkappe genau zu justieren, dann können die entstehenden magnetischen Nanostrukturen sowohl sehr klein sein als auch schnell bewegt werden - eine interessante Aussicht für neuartige Speichertechnologien auf der Basis magnetischer Nanostrukturen.

Originalpublikation

Lucas Caretta, Maxwell Mann, Felix Büttner, Kohei Ueda, Bastian Pfau, Christian M. Günther, Piet Hessing, Alexandra Churikova, Christopher Klose, Michael Schneider, Dieter Engel, Colin Marcus, David Bono, Kai Bagschik, Stefan Eisebitt and Geoffrey S. D. Beach. "Fast current-driven domain walls and small skyrmions in a compensated ferrimagnet" in Nature Nanotechnology.

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