So genannte Vortex-Kerne funktionieren wie ein winziger Kompass aus Nanoplättchen. Jetzt haben Forscher erstmals einen Weg gefunden, wie sich die Ausrichtung dieser Nano-Magnetnadeln schneller und leichter als bisher in ihrer Polung umkehren lassen. Diese jetzt in „Nature Communications“ veröffentlichte Möglichkeit könnte in Zukunft für eine besonders stabile magnetische Speicherung von Daten genutzt werden.
Nur rund ein tausendstel Millimeter Kantenlänge und wenige Millionstel Millimeter Dicke: diese winzigen Abmessungen haben die Plättchen aus Permalloy, einer Legierung aus Nickel und Eisen, die die Forscher um Hermann Stoll vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme untersuchen. Die Plättchenform sorgt für die Ausbildung einer geordneten magnetischen Struktur. Die Ordnung erinnert an eine Zielscheibe: wie winzige Kompassnadeln bilden die magnetischen Momente der Atome in der Ebene des Plättchens konzentrische Kreise, so genannte Wirbel oder auf Englisch Vortices.
In der Mitte des Plättchens ändert sich diese kreisförmige Ordnung. „Stellen Sie sich vor, man legt konzentrische Kreise aus Streichhölzern“, erklärt Hermann Stoll. „In der Mitte des Kreises geht das nicht, weil die Streichhölzer zu lang sind. Man muss sie dann aus der Ebene herausdrehen, sodass sich eine Nadel bildet, die senkrecht zur Ebene steht“. In den Vortex-Plättchen passiert etwas Ähnliches: Es bildet sich eine Art Magnetfeldnadel, die aus der Ebene herausragt, der so genannte Vortex-Kern, mit gerade einmal 20 Nanometern Durchmesser. Weil er entweder nach oben oder nach unten zeigen kann, könnte er für die Speicherung von einem Informationsbit genutzt werden.
Mit einem von außen wirkenden Magnetfeld lässt sich die Polarität des Vortex-Kerns umschalten, allerdings muss es sehr stark sein, etwa ein halbes Tesla. Dies bringt einerseits den Vorteil mit sich, dass ein entsprechender Magnetspeicher gegen störende Magnetfelder stabil wäre. Diese Stabilität gerät andererseits aber auch zum Nachteil, da sie das Umkehren des Vortex-Kernes und somit das Verarbeiten von Daten erschwert. Vor fünf Jahren fanden die Forscher um Stoll dennoch einen Weg, die Magnetfeldnadeln trotz ihrer Stabilität mit winzigem Energieaufwand umzukehren, sodass ihre Spitze in die entgegengesetzte Richtung zeigt.
Nun haben die Stuttgarter Wissenschaftler einen neuen Mechanismus entdeckt, der diesen Schaltprozess um mindestens das 20-fache beschleunigt und ihn auf einen weitaus engeren Raum begrenzt als vorher. Somit könnten magnetische Vortex-Kerne eine zugleich stabile, schnelle und stark miniaturisierte Datenspeicherung ermöglichen.
(Max-Planck Gesellschaft, 13.04.2011 – NPO)
