Maßgeschneiderter Magnetspeicher

Die moderne Speichertechnologie mit immer kleineren und leistungs­fähigeren Fest­platten kommt ohne sie nicht aus: Die Effekte des Magnet­widerstands sorgen dafür, dass die auf Fest­platten magnetisch gespeicherten Daten elektrisch ausgelesen werden können. Dabei führt bereits eine schwache Änderung des Magnetfelds zu einer verhältnis­mäßig großen Anpassung des elektrischen Wider­stands eines Materials. Für die Entdeckung eines dieser Effekte wurde 2007 der Physik-Nobelpreis vergeben. Mittlerweile werden sie standard­mäßig in Festplatten-Leseköpfen oder in der Automobil­sensorik angewendet.

Physiker der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) beschäftigen sich mit dem verwandten Effekt des anisotropen, richtungs­abhängigen, Tunnel­magnet­widerstands. Sie konnten nun zeigen, wie sich dieser Effekt auf atomarer Skala beeinflussen lässt. Lang­fristig könnte man ihn für ein neues Prinzip in der Daten­speicherung nutzen, für MRAM-Speicher (Magneto­resistive Random Access Memory). Diese Arbeits­speicher versprechen eine hohe Daten­dichte und lassen sich schnell und ohne hohen Energie­verbrauch auslesen. Im Gegensatz zu herkömmlichen halbleiter­basierten RAMs speichern sie Daten in einem nicht­flüchtigen Zustand. Informationen werden auch bei abgeschaltetem Computer weiter gespeichert und sind nach dem Einschalten sofort verfügbar.

Um eine Widerstandsänderung zu erkennen und Informationen auszulesen, ist im Falle des anisotropen Tunnel­magnet­widerstands neben der elektrischen Ladung der fließenden Elektronen auch ihre zweite Eigenschaft, der Spin, entscheidend. Anisotrop bedeutet, dass die Widerstands­änderung von der Richtung des Stroms relativ zur Magnetisierung abhängt. Dieser Effekt kommt ohne die Spin­eigenschaft aus und kann so Bau­elemente für die Speicher­technologie vereinfachen. Das Experiment der Kieler Wissenschaftler zeigt, dass sich damit auch auf molekularen Strukturen gespeicherte magnetische Informationen auslesen lassen könnten.

Für ihr Experiment nutzte das Kieler Forschungs­team um Richard Berndt ein Raster­tunnel­mikroskop. Damit lässt sich die geometrische Struktur metallischer Ober­flächen bis auf die Skala einzelner Atome untersuchen und zum Beispiel die Änderung des elektrischen Widerstands messen. Außerdem lässt sich mit seiner feinen Spitze die Struktur Atom für Atom manipulieren. Gewissermaßen „hand­gemachte“ Moleküle können damit maß­geschneidert hergestellt werden.

So stellten die Kieler Physiker aus zwei Blei­atomen ein Molekül her, ein Bleidimer, um den schwachen Effekt des anisotropen Magnet­widerstands zu verstärken. Denn Blei besitzt eine große quanten­mechanische Spin-Bahn-Wechsel­wirkung. In einem zweiten Schritt gelang es den Wissenschaftlern, das Bleidimer auf eine Eisen­oberfläche mit verschiedenen magnetischen Richtungen aufzubringen. „Blei ist selbst nicht magnetisch und lässt sich auf magnetischen Oberflächen gut bewegen“, erklärt Johannes Schöneberg aus Berndts Arbeits­gruppe die Idee ihres Experiments. So konnten sie Bleidimere auf magnetisch unterschiedlichen Bereichen der Oberfläche und in verschiedenen Orientierungen positionieren.

In ihrem Experiment untersuchen die Forscher, wie sich der elektrische Widerstand in den verschiedenen Bereichen und Orientierungen jeweils ändert. Sie beobachteten je nach Ausrichtung des Dimers sowohl einen sehr starken als auch einen verschwindend geringen Magnet­widerstand. Um diese Ergebnisse zu verstehen, führte Paolo Ferriani aus der Arbeits­gruppe von Stefan Heinze numerische, quanten­mechanische Berechnungen auf den Super­computern des Nord­deutschen Verbunds für Hoch- und Höchst­leistungs­rechnen (HLRN) durch. „Damit konnten wir zeigen, dass die Widerstands­änderung stark davon abhängt, wie die Achse des Dimers und seine Spin­richtung zueinander orientiert sind“, so Ferriani.

Für einen gezielten Einsatz im neuen Forschungsgebiet der Spin­elektronik sind die untersuchten Blei­dimere jedoch noch nicht geeignet. Ihre Experimente mussten die Kieler Physiker unter besonderen Voraussetzungen bei -269 Grad Celsius durchführen, da die Dimere bei Raum­temperatur nicht stabil sind. Ihre Arbeiten unter Labor­bedingungen zeigen aber, dass „hand­gemachte“ Strukturen auf atomarer Skala ein großes Potential haben, um Magnet­widerstände zu kontrollieren.

CAU / DE