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Mittwoch, 28.09.2016
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Spinstrom macht Datenspeicherung schneller

Neue Technologie beschleunigt magnetische Speicherung um das Tausendfache

Turbo für die Datenspeicherung: Niederländische Forscher haben eine Technik entwickelt, mit der sich das Speichern von Daten auf magnetischen Datenträgern enorm beschleunigen lassen könnte. Möglich wird dies durch ultrakurze Laserpulse, die sogenannte Spinströme im Material auslösen. Diese schalten die Magnetpolung tausendfach schneller um als bei herkömmlichen Magnetspeichern, wie die Forscher im Fachmagazin "Nature Communications" berichten.
Ein ultrakurzer Laserpuls schaltet einen Magnet-Bit um - dank Spinstrom geht dies schneller als auf herkömmliche Weise.

Ein ultrakurzer Laserpuls schaltet einen Magnet-Bit um - dank Spinstrom geht dies schneller als auf herkömmliche Weise.

Die meisten Festplatten speichern digitale Daten in Form winziger magnetischer Bereiche. Die Richtung des jeweiligen Feldes steht dabei für 0 oder 1. Der Schreibkopf verändert diese Magnetisierung und kann so neue Informationen ablegen. Wie schnell dieses Umschalten – und damit auch das Abspeichern neuer Daten – passieren kann, ist unter anderem von der Stärke des Magnetfelds abhängig.

Engpass Schreibgeschwindigkeit


"Die Anzahl der Bits auf solchen Festplatten ist in den letzten Jahren ständig gestiegen, aber die Schreibgeschwindigkeit kaum", erklärt Sjors Schellekens von der Technischen Universität Eindhoven. "Eine neue Datenspeicher-Technologie wird daher dringend gebraucht." Gemeinsam mit Kollegen hat Schellekens danach im Bereich atomarer Eigenschaften gesucht, genauer gesagt bei den Spins der Elektronen in magnetischen Materialien.

Der Spin lässt sich am ehesten als eine Art Eigendrehung des Elektrons beschreiben, ein physikalisches Merkmal, das ähnlich wie die Polung eines Magneten eine bestimmte Richtung hat. In normalem elektrischen Strom heben sich die Spins der fließenden Elektronen gegenseitig auf: Eine Hälfte ist aufwärts, die andere abwärts polarisiert.


Das Prinzip: Der Laserpuls löst Elektronen aus der oberen Schicht, dieser Spinstrom verändert die Magnetisierung der unteren Schicht.

Das Prinzip: Der Laserpuls löst Elektronen aus der oberen Schicht, dieser Spinstrom verändert die Magnetisierung der unteren Schicht.

Laserpuls lässt Spinströme fließen


Durch physikalische Manipulation, beispielsweise durch Laserpulse, lassen sich aber Ströme erzeugen, in denen die Elektronenspins vorwiegend in eine Richtung zeigen. Diese Spinströme aber besitzen einen magnetähnlichen Effekt, Spintransfer Torque genannt. Er sorgt dafür, dass ein solcher Spinstrom von Elektronen die Spins und damit auch die Magnetisierung ferromagnetischer Materialien beeinflussen kann.

Genau an diesem Punkt setzt das Experiment von Schellekens und seinen Kollegen an. Sie nutzten dafür einen Dünnfilm aus zwei magnetischen Schichten, getrennt durch eine neutrale Schicht als Ausgangspunkt. Die Oberseite dieses Dünnfilms wurde nun mit einem ultrakurzen Laserpuls beschossen. Jeder einzelne Puls dauerte dabei nur Femtosekunden – in dieser Zeit führt rotes Licht gerade einmal eine halbe Schwingung durch.

Umschalten in 100 Femtosekunden


Durch diesen Beschuss lösen sich Elektronen aus der oberen Schicht des Dünnfilms und orientieren ihre Spins gleichzeitig alle in eine Richtung. Dieser Spinstrom fließt nun in die untere Schicht und beeinflusst durch den Spintransfer Torque die Spins und Magnetisierung dieser Schicht.

Das Besondere daran: Durch diesen Spinstrom wechselt das Material extrem schnell seine Magnetisierung. "Das Umschalten geschieht im Bereich von 100 Femtosekunden – das ist tausendfach schneller als alles mit heutiger Technologie mögliche", sagt Schellekens. Damit aber eröffnet diese Technologie möglicherweise eine Chance, die Speicherung von Daten auf magnetischen Festplatten enorm zu beschleunigen. (Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomms5333)
(Eindhoven University of Technology, 11.07.2014 - NPO)
 
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