Neuer Magneteffekt erspürt Nanomagnetwirbel

Jülicher Forscher haben einen magnetischen Transporteffekt entdeckt, der sich zur Herstellung hochempfindlicher Sensoren eignen könnte. Mit ihm ließen sich Daten auslesen, die in winzigen Magnetwirbeln gespeichert sind. Solche sogenannten „Skyrmionen“ werden als mögliche Bits der Zukunft gehandelt, weil sie eine weitere Miniaturisierung von Datenspeichern ermöglichen und sich extrem energiesparend verarbeiten lassen könnten. Die Energieeffizienz von Informations- und Kommunikationstechnologien zu verbessern, ist angesichts des ansteigenden Energieverbrauchs Ziel weltweiter Forschungsanstrengungen.

Die Forschungsarbeit der theoretischen Physiker ist in der aktuellen Ausgabe von „Nature Communications“ nachzulesen (DOI: 10.1038/ncomms9541).

„Mit Skyrmionen als Bits könnte sich die Integrationsdichte von Daten, verglichen mit den heute verbreiteten Speicherchips, um den Faktor 500 bei gleicher Geschwindigkeit steigern lassen“, hat der Physiker Prof. Samir Lounis mit seinem Team am Forschungszentrum Jülich errechnet. Die zweidimensionalen magnetischen Wirbel bestehen nur aus wenigen Atomen und kommen an der Oberfläche oder Grenzfläche dünner Metallfilme vor. Ihre magnetischen Momente zirkulieren mit einem festen Drehsinn innerhalb einer Ebene. Mit ihrer Größe von einigen wenigen Nanometern gehören sie zu den kleinsten bekannten stabilen magnetischen Gebilden.

Anders als bei Festplatten, die zum Einschreiben und Auslesen von Daten in Rotation versetzt werden, sollen sich bei den skyrmionbasierten Bauteilen, sogenannten „Race-Track Memory“, die Bits, also die Magnetwirbel, durch das Material hindurch zum Ort des Dateneinschreibens und -auslesens bewegen, ähnlich wie elektrischer Strom durch einen Draht fließt. Mechanisch bewegliche Teile werden nicht benötigt, lediglich schwache elektrische Ströme. Das macht die Technologie sehr energieeffizient.

Ideen zum Einschreiben von Daten mithilfe schwacher Strompulse gibt es bereits. Die Jülicher Forscher vom Peter Grünberg Institut und dem Institute for Advanced Simulation machen nun einen Vorschlag, wie das Auslesen der gespeicherten Daten gelingen könnte. Sie entdeckten bei Computersimulationen, dass sich der elektrische Widerstand im Zentrum eines Skyrmions um bis zu 20 Prozent von dem Widerstand an Stellen ohne Wirbel unterscheidet. Dieser Unterschied lässt sich nutzen, um auszulesen, ob an einer beliebigen Stelle ein Skyrmion existiert, was digital einer „Null“ entspricht, oder nicht, also eine „Eins“ vorliegt.

„Von großem Vorteil für mögliche Anwendungen ist, dass dieser quantenmechanische Effekt – wir haben ihn TXMR (von engl. „Tunneling spin-mixing magnetoresistance“) getauft – lotrecht zum Fluss der Skyrmionen auftritt und nicht waagerecht, wie bereits bekannte andere Effekte“, freut sich Prof. Stefan Blügel, Direktor am Institute for Advanced Simulation und am Peter Grünberg Institut. „Ein Lesekopf, der den TXMR zum Auslesen der Daten nutzt, wäre deshalb technisch wesentlich einfacher umzusetzen, weil er nicht auf der Ebene der Bits sein muss.“

Bis der TXMR tatsächlich Einzug in die PCs der Zukunft halten kann, sind aber noch viele Fragen zu klären, zum Beispiel, ob der Effekt stabil genug ist für eine Nutzung in realen Bauteilen, die fabrikationsbedingt stets Schwankungen der Materialeigenschaften unterliegen. Ein solches Bauteil herzustellen und daran zu demonstrieren, dass sich Skyrmionen tatsächlich auch praktisch zur Datenspeicherung eignen, ist das Ziel des Forschungsprojektes „MAGicSky“, an dem die Jülicher Forscher beteiligt sind.

Die Forscher hatten den TXMR bei den ersten erfolgreichen rein quantenmechanischen Simulationen einzelner Skyrmionen entdeckt. Zuvor waren Skyrmionen nur mittels klassischer Gleichungen simuliert worden. An einzelnen Wirbeln in magnetischen Schichtsystemen aus Eisen, Palladium und Iridium konnten die Forscher nun erstmals ihre elektronische und magnetische Struktur detaillierter untersuchen.

Quelle: Forschungszentrum Jülich