Magnetische Surfer
Akustische Oberflächenwellen beeinflussen magnetische Nanostrukturen.
Auf dem Weg zur Entwicklung von winzigen, ultraschnellen Bauelementen für die Computer- und Kommunikationstechnik spielen magnetische Eigenschaften von Materialien und die Möglichkeit, diese Eigenschaften gezielt anzusteuern, eine wichtige Rolle. Ein Ansatz dazu stützt sich auf die elastische Verformung des magnetischen Materials durch elektrische Felder. Das Forschungsgebiet hat viel Interesse auf sich gezogen, weil es die Möglichkeit bietet, kleine magnetische Elemente mit wenig Energieaufwand umzuschalten. Studien dazu waren jedoch bislang auf einer Zeitskala von Sekunden bis Millisekunden erfolgt, viel zu langsam für Anwendungen in der Informationsverarbeitung.
Abb.: Zwei Beispiele der Abbildung von Verformungen und der resultierenden Magnetisierungskonfigurationen. Links: Bilder der Verformung durch eine Oberflächenwelle um ein magnetisches Element herum. Die Welle bewegt sich über das magnetische Quadrat hinweg (weiß), und abhängig vom Zeitpunkt kann das Quadrat entweder im nicht verformten Zustand (oben) oder im verformten Zustand (unten) abgebildet werden. Korrespondierende experimentelle Bilder mit magnetischem Kontrast sind direkt daneben dargestellt. Rechts: Schematische Darstellung der magnetischen Domänenkonfiguration im magnetischen Quadrat ohne Verformung (oben, Pfeile und die Graustufenskala zeigen die Richtung der Magnetisierung an) und magnetische Konfiguration im verformten Zustand (unten). Hier wird die horizontale Magnetisierungsrichtung durch die Verformung favorisiert, sodass die weiße und die schwarze Domäne größer werden. (Bild: M. Foerster, ALBA)
Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, magnetische Nanostrukturen mithilfe von akustischen Oberflächenwellen zu beeinflussen und die Effekte mit neuen Abbildungsmethoden sichtbar zu machen. Die Nutzung akustischer Oberflächenwellen um die Magnetisierung von nanomagnetischen Elementen zu ändern, liefert eine neue Möglichkeit, um Magnetisierung energiesparend zu schalten. Akustische Oberflächenwellen lassen sich mit Schallwellen in einem Festkörper vergleichen, nur dass sie für Menschen nicht hörbar sind. Schlägt man zum Beispiel mit einem Hammer auf eine Eisenstange, dann bewegt die Schallwelle eine Verformung entlang der Stange. Auf ähnliche Weise propagiert eine akustische Oberflächenwelle eine Verformung, allerdings nur an der Oberfläche vom Material. In Piezokristallen, die sich unter elektrischer Spannung ausbereiten oder zusammenziehen, können akustische Oberflächenwellen durch oszillierende elektrische Felder auf ultraschnellen Zeitskalen erzeugt werden.
In Zusammenarbeit mit Forschungsgruppen in Spanien, der Schweiz und Berlin hat der Arbeitskreis von Mathias Kläui an der Uni Mainz eine neue experimentelle Technik genutzt, um die akustischen Oberflächenwellen sichtbar zu machen. Damit können die Wissenschaftler zeigen, dass sich diese Wellen eignen, um die Magnetisierung von nanometerkleinen magnetischen Elementen auf der Oberfläche der Kristalle extrem schnell umzuschalten. Die Ergebnisse zeigen, dass magnetische Elemente ihre Eigenschaften verändern und die magnetischen Domänen sich vergrößern oder schrumpfen, je nach Phase der Oberflächenwellen. Interessanterweise tritt die Veränderung nicht sofort ein, die beobachtete Verzögerung kann sogar moduliert werden. Hier liegt der Schlüssel, um in Zukunft energiesparende magnetische Geräte zu entwerfen: in dem Verständnis, wie die magnetischen Eigenschaften auf einer schnellen Zeitskala zu modifizieren sind.
JGU / RK
