Magnetische Datenspeichertechnologie der nächsten Generation

• Forscher entwickelten magnetische Nanostrukturen mit einem Tarnumhang.
• Eine hohe Geschwindigkeit von winzigen magnetischen Bitstrukturen kann durch sorgfältige Anpassung der Stärke des unsichtbaren Mantels erreicht werden.

Für Hochleistungs-Solid-State-Datenspeicher und Logikanwendungen konzentrieren sich die Forscher auf spin-basierte Geräte. Einer der vielversprechenden Ansätze besteht darin, Bits durch kleine Skyrmionen oder Domänenwände zu codieren, die durch Ströme in rennstreckenbasierten Geräten verschoben werden können.

Für Physiker ist Magnetismus in erster Linie mit Rotationsbewegungen von Elektronen in Atomen verbunden. Die Elektronen umkreisen den Kern und drehen sich um ihre eigene Achse. Diese Bewegung erzeugt ein magnetisches Moment des Atoms.

Das diesem magnetischen Moment entsprechende magnetische Streufeld wird verwendet, um magnetisch gespeicherte Daten aus einem Gerät zu extrahieren/auszulesen. Bei bestehenden Festplatten erreicht die Größe eines magnetischen Bits bis zu 15*45 Nanometer, ungefähr 1 Billion davon könnten auf einem Stempel platziert werden.

Um Bits magnetisch an einer festen Stelle im Chip zu speichern und später herauszuziehen, ist es notwendig, die magnetischen Bits im Chip durch Stromimpulse hin und her zu transportieren. Das Problem besteht darin, dass magnetische Streufelder verhindern, dass Bits kleiner gemacht werden, um die Daten dichter zu packen. Außerdem sollte das mit dem Streufeld verbundene magnetische Moment in der Lage sein, die Strukturen zu bewegen.

Atoms Tarnumhang

In dieser Studie platzierten Forscher erfolgreich einen „unsichtbaren Mantel“ auf magnetischen Nanostrukturen und analysierten, wie schnell und klein diese Bits tatsächlich werden können. Dazu verschmolzen sie Atome aus verschiedenen Elementen, deren Elektronen sich in die entgegengesetzte Richtung drehen und somit ein entgegengesetztes magnetisches Moment haben.

Dadurch wird das magnetische Streufeld aufgehoben (oder in einigen Fällen reduziert), jedoch trägt jedes Atom in der Nanostruktur immer noch ein magnetisches Moment:Zusammen erscheinen diese Atome umhüllt.

Referenz:Natur Nanotechnologie | doi:10.1038/s41565-018-0255-3 | Max-Born-Institut 

Trotz der Tarnung bildeten die Forscher die winzigen Strukturen durch Röntgenholographie ab. Indem sie selektiv magnetische Momente nur einer Atomart sichtbar machten, nahmen sie das Bild der Struktur trotz des Tarnumhangs auf.

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

Datenspeicheranwendungen

Durch die sorgfältige Konfiguration der Kraft des Tarnumhangs ist es möglich, zwei Ziele gleichzeitig zu erreichen.

Die Größe der kreisförmigen magnetischen Strukturen ist sehr klein:Es wurde festgestellt, dass der kleinste Strukturradius nur 5 Nanometer beträgt. Wenn diese Strukturen in Zukunft in Datenspeichergeräte übernommen werden könnten, würde ihre Kapazität erheblich steigen.

Die weiteren Untersuchungen ergaben, dass sich getarnte Bits durch kurze Stromimpulse sehr schnell bewegen können – einer der entscheidenden Parameter für den tatsächlichen Einsatz in Speicherbausteinen. Die Forscher erwähnten, dass es eine Geschwindigkeit von über 1 km/s erreichte.

Sowohl die Bahn des Elektrons um den Kern als auch der Spin des Elektrons um die eigene Achse tragen unterschiedlich zum magnetischen Moment bei:Der Einfluss des Eigenspins des Elektrons ist doppelt so groß wie der Einfluss der Bahn des Elektrons.

Man kann verschiedene Arten von Atomen mit verschiedenen Rotationsrichtungen der Elektronen kombinieren, um die Gesamtrotation aufzuheben. Der sogenannte Drehimpuls des Systems wäre konstant, während das System noch ein kleines magnetisches Moment behalten würde.

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Da der Drehimpuls die sich bewegenden magnetischen Strukturen über Stromimpulse abbremst, kann die Technik verwendet werden, um Hochgeschwindigkeitsbewegungen zu erreichen. Wenn die Stärke des Tarnmantels richtig konfiguriert ist, können daher sowohl schnelle als auch winzige magnetische Bitstrukturen erhalten werden – ein faszinierender Aspekt neuartiger magnetischer Datenspeicherkonzepte.