Nanowirbel für die Datenspeicher von morgen
Neue Methode zur Erzeugung sogenannter Skyrmionen
Magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, gelten als Hoffnungsträger einer effizienteren Datenspeichertechnik und werden intensiv erforscht. Wissenschaftler haben jetzt eine Methode zum Erzeugen von Skyrmionen gefunden, die sich direkt im Speicherchip integrieren lässt und bis in den Gigahertz-Bereich zuverlässig funktioniert. Sie haben die kleinen Nanowirbel durch kurze Strompulse gezielt an vorher festgelegten Orten erzeugt und dann kontrolliert bewegt. Durch Holografie mit Röntgenstrahlung bei DESY haben sie die Skyrmionen abgebildet und direkt nachgewiesen. Beteiligt waren das Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI), das Massachusetts Institute of Technology (MIT) sowie weitere deutsche Forschungseinrichtungen.
Schematische Darstellung eines Racetrack-Drahtes. Dieser besteht aus einem Stapel von 45 Schichten, die jeweils nur etwa einen Nanometer dünn sind. Im Schema sind nur drei der 45 Schichten dargestellt. Skyrmionen (blau dargestellt) entstehen in diesem speziellen Materialsystem hinter dem durch die Schlitze geschaffenen Engpass, wenn starke Strompulse durch den Draht geschickt werden. Die Skyrmionen können dann mit weiteren schwachen Strompulsen zur Speicherung entlang des Drahtes verschoben werden. Die An- oder Abwesenheit eines Skyrmions codiert dann ein Bit '1' oder '0'. Im Hintergrund ist ein Ausschnitt aus einem Röntgenhologramm zu sehen, wie es die Forscher bei DESY aufgezeichnet haben um die Skyrmionen abzubilden.
MBI, Moritz Eisebitt
Die Wissenschaftler haben Skyrmionen erzeugt, indem sie Sandwich-Strukturen aus Platin, einer magnetischen Legierung bestehend aus Kobalt, Eisen und Bor sowie Magnesiumoxid eingesetzt haben. Dr. Felix Büttner vom MIT erklärt: „Aufgrund des Spin-Hall-Effektes, einem quantenmechanischen Effekt, und einer speziellen Wechselwirkung der Atome an den Grenzflächen der Materialien lassen sich Skyrmionen durch Strompulse gezielt herstellen. Mit unserer Methode ist das direkt in sogenannten Racetrack-Strukturen möglich, und zwar an vorher festgelegten Stellen, was ja für ein kontrolliertes Schreiben von Daten wesentlich ist.“ Die Racetrack-Strukturen sind nanometerdünne Drähte aus übereinandergestapelten magnetischen Materialien. Den genauen Erzeugungsort der Magnetwirbel konnten die Forscher durch eine kleine zusätzliche Verengung im Draht festlegen.
Dass tatsächlich die speziellen Skyrmion-Magnetwirbel erzeugt und mit einem weiteren Strompuls in den Racetrack-Draht geschoben worden sind, haben die Wissenschaftler bei DESY in Hamburg mit Röntgenstrahlung nachgewiesen. „Röntgenholografie erlaubt höchst empfindlich den Nachweis dieser sehr kleinen magnetischen Strukturen. Die Magnetisierungswirbel lassen sich so mit einer Auflösung von etwa 20 Nanometern abbilden“, erklärt Dr. Bastian Pfau, einer der Wissenschaftler des MBI-Teams.
Die Wissenschaftler haben in ihren Untersuchungen verfolgen können, wie mit einzelnen Strompulsen Skyrmionen erzeugt werden, die dann mit weiteren Pulsen bewegt werden. Wichtig war dabei das Verständnis der grundlegenden Prozesse: Was spielt sich in den wenige Nanometer dünnen Schichten des Materials und an den Grenzflächen ab, wenn einzelne kurze Strompulse mit einer Dauer im Bereich von Nanosekunden durch das Material geschickt werden? Wie beeinflussen Elektronen von der Platinschicht aus während der Strompulse die Magnetisierung in der angrenzenden Kobaltlegierung, so dass Skyrmionen mit bestimmtem Drehsinn entstehen? Hierfür hat das Team seine Beobachtungen mit mikromagnetischen Simulationen verglichen, in denen die Prozesse im Computer nachgebildet werden. „Diese Erkenntnisse zum mikroskopischen Mechanismus werden uns entscheidend helfen, die Konzepte und Materialien für zukünftige Datenspeichertechnologien weiterzuentwickeln“, sagt Büttner.
„Unsere Daten sind in der Cloud“ – wer das sagt, vergisst manchmal, dass die Daten letztendlich auf Festplatten abgespeichert sind, in großen Datencentern von Firmen wie Google und Facebook. Die einzelnen Daten-Bits sind in der Magnetisierung dünner magnetischer Filme gespeichert. Die Bits werden mit einem sich mechanisch bewegenden Schreib-/Lesekopf mit Magnetfeldpulsen auf eine schnell rotierende Scheibe geschrieben, die eigentliche Festplatte. Um zukünftig mehr Daten auf gleichem Raum speichern zu können, arbeiten Wissenschaftler daran, von diesem inhärent zweidimensionalen Speicherverfahren zu einem dreidimensionalen Verfahren überzugehen.
In solchen sogenannten Racetrack-Speichern sollen die Bits auch als Magnetisierungsmuster gespeichert werden, nun aber in einer drahtartigen Struktur. Dort können sie zum Lesen und Schreiben wie auf einer Rennbahn – daher der Name – sehr schnell hin und her geschoben werden. Im Gegensatz zu heutigen Festplatten soll das Schreiben und Verschieben der Bits ausschließlich mit Hilfe sehr kurzer Strompulse geschehen und damit auf den Einsatz beweglicher Teile ganz verzichtet werden. Da sich die Racetrack-Drähte wie viele parallele Strohhalme in drei Dimensionen dicht packen lassen, wären so deutlich höhere Speicherdichten möglich.
Ein Kandidat für die Darstellung einzelner Bits sind dabei die nanometerkleinen Wirbel in der Magnetisierung des magnetischen Materials, die Skyrmionen. Sie faszinieren die Forscher, da sie sich mittels Strom verschieben lassen und dabei sehr stabil sind. Das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Skyrmions würde dann zukünftig die Bits „1“ oder „0“ repräsentieren. Um einzelne Skyrmionen kontrolliert zu erzeugen, waren bisher jedoch sehr aufwändige Apparaturen nötig – die aktuellen Forschungsergebnisse zeigen hier einen neuen Weg auf.
Originalveröffentlichung
"Field-free deterministic ultrafast creation of magnetic skyrmions by spin-orbit torques"; Felix Büttner, Ivan Lemesh, Michael Schneider, Bastian Pfau, Christian M. Günther, Piet Hessing, Jan Geilhufe, Lucas Caretta, Dieter Engel, Benjamin Krüger, Jens Viefhaus, Stefan Eisebitt and Geoffrey S. D. Beach; Nature Nanotechnology; 2017
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