28.07.2023

Magnetische Heterostrukturen für schnellere Datenspeicher

Neue Materialklasse vereint Vorteile von Antiferromagneten und Ferromagneten.

Neuartige magnetische Datenspeicher basieren auf Ferromagneten mit Arbeits­frequenzen im Gigahertz-Bereich. Weiter steigern ließe sich diese mit Antiferromagneten, die sich aber nicht effizient anregen lassen. Forscher aus Kaiserslautern und Mainz haben gezeigt, dass magnetische Hetero­strukturen – bestehend aus je einer dünnen Schicht Anti­ferromagnet und Ferromagnet – die Vorteile beider Material­klassen vereinen können: Sie haben eine hohe Arbeits­frequenz mit effizienter Anregung gefunden.

Abb.: Grenzfläche der Hetero­struktur mit den magne­tischen Momente im...
Abb.: Grenzfläche der Hetero­struktur mit den magne­tischen Momente im Ferromagneten (o.) und im Antiferro­magneten. (Bild: T. Azevedo, AG Weiler, RPTU)

„Ferromagnete besitzen eine Netto-Magne­tisierung und sind auch als Permanentmagnete bekannt, denen man von außen eine Magne­tisierung ansieht. Sie sind gut anzuregen. Ihre Dynamik liegt im Gigahertz-Bereich“, sagt Mathias Weiler, Leiter der Arbeitsgruppe Angewandte Spin­phänomene. Ganz anders verhält sich die Anti­ferromagnete. „Von außen sieht man ihnen nicht an, dass sie eine Magne­tisierung besitzen. Sie zeigen kein magnetisches Moment, mit dem man interagieren kann. Sie können damit nur schwer angeregt werden“, erläutert Doktorand Hassan Al-Hamdo. Sind sie einmal angeregt, weisen sie allerdings eine sehr viel schnellere Dynamik im Terahertz-Bereich auf.

Diese Tatsache macht sie für verschiedene Anwendungs­felder interessant, etwa für Kommunikations­techniken und magnetische Speicher, da sich die Verarbeitungs­geschwindigkeit deutlich beschleunigen ließe. „Da sich Antiferromagnete aber nicht effizient anregen lassen, sind ihre Einsatzmöglichkeiten beschränkt“, fährt Weiler fort. Das Team hat nun gezeigt, wie sich die schnellere Dynamik der Antiferro­magnete trotzdem nutzen lässt. Für ihre Versuche haben sie auf ein hybrides Material gesetzt. „Es besteht aus zwei dünnen Schichten, einer ferro­magnetischen und einer antiferro­magnetischen“, erläutert Weiler. Die ferromagnetische Schicht besteht aus einer gängigen Nickel-Eisen Verbindung, die etwa auch in Transformatoren vorkommt. Die antiferro­magnetische Schicht besteht aus einer Mangan-Gold-Verbindung.

Die Besonderheit der Hetero­struktur findet sich in der Anordnung der Spins direkt an der antiferromagnetisch-ferro­magnetischen Grenzfläche. Al-Hamdo: „Der Spin beschreibt den Eigen­drehimpuls eines Quantenteilchens und ist Grundlage aller magnetischen Phänomene. An der Grenzfläche finden wir eine wohldefinierte Ordnung der Spins. Dies führt zu einer ungewöhnlich starken Kopplung der antiferro­magnetischen und ferro­magnetischen Spins. Die Kopplung ist so hoch, dass sich die Spins des Antiferro­magneten anhand der Magnetisierung im Ferromagneten ausrichten. Diese Eigenschaft ist einzigartig.“

„Durch Nutzung der einzigartigen Eigenschaften unserer Heterostruktur ist es uns gelungen, eine magnetische Anregung vom Ferromagneten auf den Antiferro­magneten zu übertragen. Dabei haben wir eine höhere Frequenz erhalten, als dies beim reinen Ferromagneten der Fall ist. Die Frequenz liegt zwischen der des Antiferro- und des Ferro­magneten“, fasst Weiler zusammen. Interessant sind diese Ergebnisse für künftige Anwendungen. „Für Mobil­anwendungen neuerer Art wird man höhere Frequenzen brauchen“, nennt Weiler als Beispiel. „Mit dieser Kopplung kommen wir in diese Bereiche.“ Einsatzfelder sein könnten auch Speicher­techniken wie Magnetic Random-Access Memory oder Mikrowellen­generation durch Spin-Torque-Oszillatoren, bei denen höhere Frequenzen die Leistung erhöhen würden.

RPTU / JOL

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