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Mittwoch, 28.09.2016
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Magnetische Nano-Knoten als Datenspeicher

Erster Schritt gelungen: Forscher erzeugen und löschen Skyrmionen auf einer Oberfläche

Physikern ist es erstmals gelungen, einzelne magnetische Skyrmionen – eine Art magnetischer Wirbel oder Knoten – gezielt einzeln auf einer Oberfläche zu schreiben und zu löschen. Damit ist ein wichtiger erster Schritt gemacht, um diese spinmagnetischen Phänomene zukünftig möglicherweise als Datenspeicher nutzen zu können. Denn das Erzeugen und Löschen der Skyrmionen entspricht den Nullen und Einsen der digitalen Information - ist aber viel kleiner als herkömmliche magnetische Speicherbits, wie die Forscher im Fachmagazin "Science" berichten.
Skyrmionen in einer Doppelschicht von Palladium/Eisen auf einer Iridium-Oberfläche unter dem Rastertunnel-Mikroskop.

Skyrmionen in einer Doppelschicht von Palladium/Eisen auf einer Iridium-Oberfläche unter dem Rastertunnel-Mikroskop.

Mit dem Streben nach kompakteren elektronischen Geräten mit immer höherer Speicherdichte stoßen herkömmliche magnetische Speichertechnologien bald an ihre physikalischen Grenzen. In den bisher verwendeten konventionellen Speichern bestehen die magnetischen Bits, ähnlich wie klassische Stabmagnete, aus vielen Atomen mit einer parallelen Anordnung ihrer magnetischen Momente. Doch diese Magnetbits sind nicht unbegrenzt verkleinerbar, da sich ab einer gewissen Größe benachbarte Felder stören und die Bits auch gegenüber Temperaturschwankungen instabil werden.

Magnetknoten als Datenspeicher?


Ein Ausweg aus dieser technologischen Sackgasse könnte die Verwendung „robusterer“ magnetischer Strukturen wie beispielsweise von Skyrmionen sein. Dabei handelt es sich um 2009 entdeckte winzige Magnet-Wirbel oder -Knoten, die unter bestimmten Bedingungen in den Feldern um magnetische Materialien auftreten. Dabei ordnen sich die Spins der Oberflächenatome so an, dass sie spiralige Wirbel bilden. Diese Wirbel haben Teilchencharakter und man kann ihnen eine Art Ladung zuordnen. Dadurch ist es möglich, mit einem Skyrmion den Bit-Zustand „1“ (es gibt ein Skyrmion) und „0“ (es gibt kein Skyrmion) darzustellen - eine Voraussetzung für künftige Datenspeicher.

Durch die geschickte Wahl von Temperatur und äußerem Magnetfeld ist es nun Roland Wiesendanger von der Universität Hamburg und seinen Kollegen gelungen, einzelne Skyrmionen gezielt herzustellen und zu manipulieren. Dazu verwendeten die Forscher einen zwei Atomlagen dicken Film aus Palladium und Eisen auf einem Iridium-Kristall. Bringt man diese Probe in ein magnetisches Feld, kann man mit Hilfe eines spinpolarisierten Rastertunnelmikroskops einzelne und räumlich feste Skyrmionen mit einer Größe von wenigen Nanometern beobachten. Diese können mit einem kleinen elektrischen Strom aus der Mikroskopspitze geschrieben und gelöscht werden.


Das Bild zeigt ein magnetisches Skyrmion in einer hexagonalen Anordnung von Atomen.

Das Bild zeigt ein magnetisches Skyrmion in einer hexagonalen Anordnung von Atomen.

Machbarkeit jetzt bewiesen


Bei der Erzeugung eines Skyrmions werden die sonst parallel ausgerichteten magnetischen Momente so verwirbelt, dass sich eine Art zweidimensionaler Knoten bildet, beim Löschen wird der Knoten wieder aufgelöst. „Endlich haben wir ein magnetisches System gefunden, in dem wir lokal zwischen gewöhnlicher ferromagnetischer Ordnung und komplexer Spinanordnung hin und herschalten können.“, begeistert sich die Hamburger Physikerin Kirsten von Bergmann. Im Experiment gelang dies mit vier Skyrmionen, die die Forscher auf einem Probenausschnitt gezielt erzeugten und wieder aufgelösten.

„Die Idee vom sprichwörtlichen Knoten im Taschentuch, um sich etwas zu merken, haben wir auf die Speichertechnologie übertragen und können Daten in zweidimensionalen magnetischen Knoten speichern.“, erklärt Koautor Niklas Romming. Ob und wann allerdings Skyrmionen als Datenspeicher in unseren Computern, Tablet-PCs und Smartphones eingesetzt werden können, lässt sich heute noch nicht sagen. Das experimentell realisierte Schreiben und Löschen von Skyrmionen hat aber die Machbarkeit dieser Technologie bewiesen und somit wurde eine wichtige Hürde bei der technologischen Umsetzung genommen. (Science, 2013; doi: 10.1126/science.1240573)
(Universität Hamburg, 09.08.2013 - NPO)
 
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