Datenspeicher-Revolution: Nächstgen-Magnetnanostrukturen mit Unsichtbarkeitsumhang

• Forscher entwarfen magnetische Nanostrukturen mit Unsichtbarkeitsumhang.
• Hohe Geschwindigkeit winziger magnetischer Bitstrukturen lässt sich durch sorgfältige Anpassung der Unsichtbarkeitsstärke erreichen.

Für hochleistungsfähige Solid-State-Datenspeicher und Logikanwendungen fokussieren Forscher auf spinbasierte Geräte. Ein vielversprechender Ansatz: Bits durch kleine Skyrmionen oder Domänenwände kodieren, die durch Ströme in Rennstrecken-basierten Geräten verschoben werden können.

Für Physiker ist Magnetismus primär mit Rotationsbewegungen von Elektronen in Atomen verknüpft. Elektronen umkreisen den Kern und rotieren um die eigene Achse. Diese Bewegung erzeugt das magnetische Moment des Atoms.

Das magnetische Streufeld entsprechend diesem Moment wird genutzt, um magnetisch gespeicherte Daten aus einem Gerät auszulesen. In aktuellen Festplatten erreicht die Größe eines magnetischen Bits ca. 15×45 Nanometer – etwa 1 Billion davon passen auf eine Briefmarke.

Um Bits magnetisch an festen Orten im Chip zu speichern und später auszulesen, müssen magnetische_bits durch Stromimpulse hin und her im Chip bewegt werden. Das Problem: Magnetische Streufelder verhindern kleinere Bits für dichtere Datenspeicherung. Auch das dem Streufeld zugeordnete magnetische Moment muss die Strukturen bewegen können.

Atoms Unsichtbarkeitsumhang

In dieser Studie platzierten Forscher erfolgreich einen „Unsichtbarkeitsumhang“ auf magnetischen Nanostrukturen und analysierten, wie schnell und klein diese Bits tatsächlich werden können. Dazu verschmolzen sie Atome verschiedener Elemente, deren Elektronen sich in entgegengesetzte Richtungen drehen und somit entgegengesetzte magnetische Momente haben.

Dies heilte das magnetische Streufeld auf (oder reduzierte es), doch jedes Atom in der Nanostruktur trägt noch ein magnetisches Moment: Zusammen wirken die Atome getarnt.

Referenz: Nature Nanotechnology | doi:10.1038/s41565-018-0255-3 | Max Born Institute

Trotz Tarnung bildeten Forscher die winzigen Strukturen per Röntgenholographie ab. Durch selektives Sichtbarmachen der magnetischen Momente nur einer Atomart zeichneten sie das Bild der Struktur trotz Unsichtbarkeitsumhang auf.

Ferromagnetische (FM) und antiferromagnetische (AFM) Ordnung zwischen benachbarten Atommomenten | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher

Datenspeicher-Anwendungen

Durch sorgfältige Konfiguration der Unsichtbarkeitsstärke lassen sich zwei Ziele gleichzeitig erreichen.

Die kreisförmigen magnetischen Strukturen sind winzig: Der Radius der kleinsten Struktur betrug nur 5 Nanometer. Wenn diese Strukturen künftig in Datenspeichergeräten eingesetzt werden, würde deren Kapazität signifikant steigen.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass getarnte Bits durch kurze Stromimpulse sehr schnell reisen – ein entscheidender Parameter für den tatsächlichen Einsatz in Speichergeräten. Forscher erwähnten Geschwindigkeiten über 1 km/s.

Sowohl Elektronenbahn um den Kern als auch Elektronenspin um die eigene Achse tragen unterschiedlich zum magnetischen Moment bei: Der Effekt des Eigenspins ist doppelt so groß wie der der Bahnbewegung.

Man kann verschiedene Atomtypen mit unterschiedlichen Elektronenrotationsrichtungen kombinieren, um die Gesamtdrehung aufzuheben. Der sogenannte Drehimpuls des Systems bliebe konstant, während das System noch ein kleines magnetisches Moment behielte.

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Da der Drehimpuls bewegte magnetische Strukturen durch Stromimpulse abbremst, kann die Technik Hochgeschwindigkeitsbewegungen erreichen. Wenn die Unsichtbarkeitsstärke korrekt konfiguriert ist, lassen sich sowohl hohe Geschwindigkeit als auch winzige magnetische Bitstrukturen erhalten – ein faszinierender Aspekt neuartiger magnetischer Datenspeicherkonzepte.