Digitale Magnetspeicher für „kolossale“ Schaltraten

Die Kontrolle magnetischer Spins verspricht Speichermedien mit bisher unerreichter Dichte. Doch auch die Zugriffsgeschwindigkeiten lassen sich durch quantenmagnetische Ansätze um ein Vielfaches steigern. Die Grundlage dazu legten nun griechische und amerikanische Physiker, die in kristallinem Manganit die magnetische Ordnung während des Bruchteils einer Pikosekunde gezielt verändern konnten. Mit diesem Ansatz könnten die Schaltfrequenzen von magnetischen Datenspeichern vom derzeit erreichten Gigahertz-Bereich bis zu einigen Terahertz erhöht werden.

Die Forscher nutzten für den Schaltvorgang den kolossalen magnetoresistiven Effekt (CMR-Effekt) aus. Durch dieses Phänomen verändert sich der elektrische Widerstand einiger Materialien bei Anwesenheit eines magnetischen Feldes massiv. „Materialien mit einem kolossalem magnetoresitiven Effekt sind sehr verlockend für technologische Anwendungen“, sagt Jigang Wang von der Iowa State University in Ames. Sein Kollege Ilias Perakis von der Universität Kreta in Heraklion erläutert: „Wir wollten verstehen, wie genau sich der Magnetismus ändert, wenn extrem kurze Laserpulse auf ein Material gerichtet werden.“ Mit Femtosekunden-Pulsen, die bisher für „Pump&Probe“-Experimente zur Analyse physikalischer und chemischer Prozesse in Molekülen oder Kristallen dienen, kamen die Forscher dem quantenmagnetischen Verhalten in Manganit-Schichten (Pr_0,7Ca_0,3MnO₃) auf die Spur.

Einen Manganit-Einkristall kühlten Wang und Kollegen auf 30 Kelvin ab und setzten ihn einem schwachen Magnetfeld von 0,5 Tesla aus. Dabei bildete sich aufgrund des CMR-Effekts ein antiferromagnetischer Grundzustand aus. Mit einem infraroten Femtosekunden-Puls von 1,55 Elektronvolt Energie regten sie den Kristall an und es entstanden lokal begrenzte magnetische Inseln, deren Ausdehnung direkt von der Intensität des Laserpuls abhing. Doch erst mit einem zweiten ultravioletten Puls mit 3,1 Elektronvolt Energie war es möglich, alle Magnetspins im Manganit-Kristall in eine Richtung zu schalten und einen ferromagnetischen Zustand zu erreichen. Der Wechsel von einer antiferromagnetischen zu einer ferromagnetischen Phase gelang innerhalb von 120 Femtosekunden und ist prinzipiell für die Unterscheidung der digitalen Basiswerte 0 und 1 geeignet.

Bis diese optische Schaltmethode von magnetischen Eigenschaften in kommerziellen Speichermedien genutzt werden kann, sind allerdings noch einige Hürden zu überwinden. Denn bisher ist es fraglich, ob diese Kontrolle über die magnetischen Phasen in Zukunft auch bei höheren Temperaturen erreichbar sein könnte. Doch die detaillierte Erforschung quantenmagnetischer Prozesse in CMR-Materialien steht noch weit am Anfang und lässt auf viele weitere Fortschritte hoffen.

Jan Oliver Löfken

PH