Lichtschalter für Magnetspeicher

Die Anforderungen an digitale Speichermedien wachsen ständig. Eine rasant zunehmende Menge an Daten und neue technische Anwendungen verlangen nach Speichern, die viele Informationen auf sehr kleinem Raum unterbringen können und sich zuverlässig mit hoher Zugriffs­geschwindigkeit nutzen lassen. Besonders aussichts­reich erscheinen magnetische Daten­speicher, die mit Laserlicht beschrieben werden. An dieser neuen Technologie arbeiten Forscher seit einigen Jahren. „Bislang sind jedoch noch etliche Fragen zu den grundlegenden Mechanismen und zur genauen Funktionsweise optisch steuerbarer Magnet­speicher offen“, sagt Florian Kronast, stellvertretender Leiter der Abteilung Materialien für grüne Spintronik am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB).

Einem Forscherteam unter seiner Leitung ist nun ein wichtiger Schritt hin zu einem besseren Verständnis der vielversprechenden Speicher­technologie gelungen. Die Wissenschaftler konnten erstmals experimentell belegen, dass die Erwärmung des Speicher­materials durch die Energie des Laserlichts eine entscheidende Rolle beim Schalten der Magnetisierung spielt und dass die Veränderung im Material nur unter bestimmten Bedingungen erfolgt.

Die Wissenschaftler des HZB sowie der Freien Universität Berlin und der Universität Regensburg untersuchten die mikroskopischen Vorgänge hoch­aufgelöst beim Bestrahlen einer dünnen Schicht aus magnetischem Material mit zirkular polarisiertem Laserlicht. Dazu richteten sie das Licht eines Infrarotlasers auf eine nanometer­dünne Schicht der Legierung TbFe aus den Metallen Terbium und Eisen. Die experimentelle Besonderheit: Der eng fokussierte Lichtfleck des Lasers hatte einen Durchmesser von nur drei Mikrometern. „Das ist weit weniger, als bei bisherigen Experimenten üblich war“, sagt HZB-Wissenschaftlerin Ashima Arora, Erst­autorin der Studie. Und es ermöglichte den Forschern eine bislang einzigartige Detail­schärfe bei der Untersuchung der Phänomene. Die Abbildungen der magnetischen Domänen in der Legierung, die das Team mithilfe von Röntgen­licht aus der Synchrotron-Strahlungsquelle BESSY II erstellte, offenbarte Feinheiten selbst von dreißig Nanometern Größe.

Die Resultate der Messungen zeigen: Um den schmalen Laserfleck herum bildet sich ein ringförmiger Bereich, der zwei magnetisch unterschiedliche Regionen voneinander trennt. Innerhalb des Rings ist das zuvor vorhandene Muster der Magnetisierung durch die Erwärmung vollständig ausgelöscht. In der Zone außerhalb bleibt es dagegen in der ursprünglichen Form erhalten. In dem schmalen Ring dazwischen stellt sich eine Temperatur­verteilung ein, die eine Änderung der Magnetisierung durch Verschieben der Domänen­ränder ermöglicht. „Nur dort spielt sich das Schalten der Magnet­eigenschaften ab, bei einem Speicher also das Ablegen der Daten“, erklärt Arora.

„Diese neuen Erkenntnisse werden helfen, optisch gesteuerte Magnetspeicher mit den bestmöglichen Eigenschaften zu entwickeln“, meint Florian Kronast. Zu einem besseren Verständnis der dafür wichtigen physikalischen Prozesse trägt ein weiterer Effekt bei, den die Forscher am HZB erstmals und überraschend beobachtet haben: Die Art, wie das Schalten der Magnetisierungen geschieht, hängt empfindlich von der Dicke der mit Laserlicht bestrahlten Materialschicht ab. Sie ändert sich bei einem Wert der Schicht­dicke zwischen zehn und zwanzig Nanometern.

„Das ist ein deutliches Indiz, dass zwei unterschiedliche Mechanismen eine Rolle spielen und miteinander konkurrieren“, erklärt Kronast. Er und sein Team haben dafür zwei komplexe physikalische Effekte im Verdacht. Um ihn zu bestätigen, sind aber weitere experimentelle und theoretische Untersuchungen nötig.

HZB / DE