Mit Hitze Daten speichern
Laserpulse ändern die Magnetisierung von Speichermedien schneller und mit weniger Energie als ein externes Magnetfeld.
Ein internationales Forschungsteam hat einen neuen Weg aufgezeigt, um Daten auf magnetischen Medien zu speichern. Dabei verwenden die Forschenden kein externes Magnetfeld, sondern setzten stattdessen einen Hitzepuls ein. Konkret haben sie gezeigt, dass Nord- und Südpol eines Magneten mit Hilfe eines sehr intensiven Hitzepulses – in dem Fall erzeugt durch einen kurzen Laserblitz – vertauscht werden können. Der Hitzepuls bringt den Magneten zunächst in einen Zustand jenseits des Gleichgewichts (das Bit ist weder „0“ noch „1“), aus dem dieser dann innerhalb von Pikosekunden in einen definierten Zustand „0“ oder „1“ findet. Diese Methode könnte die Speicherung von mehreren Tausend Gigabyte pro Sekunde erlauben. Sie wäre viele hundert mal schneller als Technologien heutiger Festplatten und hat das Potenzial, deutlich weniger Energie zu verbrauchen.
Abb.: Von einem Einzelbild zum nächsten wurde die Magnetisierung der zwei Mikrometer kleinen Magnete mit Hilfe eines kurzen Laserpulses umgekehrt. Dieser Prozess lässt sich beliebig oft wiederholen. Dabei stehen schwarz und weiß für die Magnetisierungsrichtung; die entsprechende Richtung ist in der unteren Bildreihe angedeutet. Die Bilder stammen vom Röntgenmikroskop an der SLS des PSI. (Bild: PSI)
In der heutigen Technik liegen einzelne Bits in der Ausrichtung wenige Nanometer großer Magnete vor. Bislang nutzte man ein externes Magnetfeld um ein Bit zu speichern, also die Ausrichtung eines solchen Nanomagneten umzukehren. So arbeiten moderne Festplattenlaufwerke mit einem Feld von rund einem Tesla, das erlaubt, ein Bit innerhalb einiger Nanosekunden zu speichern. Dabei ist es technologisch sehr schwierig, starke Magnetfelder schnell in einem kleinen Bereich zu schalten.
Indem sie sich die deutlich stärkeren inneren Kräfte des magnetischen Materials zu Nutze machten, konnten die Mitglieder eines multinationalen Forschungsteams nun zeigen, wie man die Ausrichtung der Magnete ändern kann, ohne ein Magnetfeld zu verwenden. Stattdessen kam ein Energiestoß aus einem Laser zum Einsatz. Jeder der Nanomagnete in dem Material besteht selbst aus winzigen elementaren Magneten – den Spins, die durch die Austauschwechselwirkung miteinander gekoppelt sind. Diese innere Kraft richtet die Spins in einem Material in eine gemeinsame Richtung aus, sodass das ganze Material „magnetisch“ wird. Dabei gingen die Forscher bisher davon aus, Hitze könne eine solche magnetische Ordnung nur zerstören. Beim Aufheizen des Materials mit einem extrem kurzen Laserblitz von 0,1 Pikosekunden kam der Nanomagnet auch zunächst aus dem Gleichgewicht und nahm einen Zustand an, der weder „0“ noch „1“ entspricht. Dann zwangen aber die Kräfte in seinem Inneren den Magneten in einen der beiden Gleichgewichtszustände – „0“ oder „1“.
Abb.: Die PSI-Forscher Loïc Le Guyader (links) und Souliman El Moussaoui justieren den Laser, der die magnetische Probe erhitzt. (Bild: PSI)
„Dieses Verfahren macht es möglich, Tausende von Gigabytes pro Sekunde zu speichern – das ist viele hundert Mal mehr als mit heutigen Technologien. Und da man auch kein Magnetfeld benötigt, verbraucht man auch weniger Energie”, so Thomas Ostler von der University of York, der mit Hilfe von Computersimulationen vorausgesagt hat, wie ein Laserblitz auf einen Magneten wirkt und dabei Erstaunliches gezeigt hat. Experimentell nachgewiesen wurde der Effekt an der Universität Nijmegen mit Hilfe magneto-optischer Mikroskopie an dünnen Schichten und am Paul Scherrer Institut an mikrometergroßen Strukturen, die hier mit einem lithographischen Verfahren im Labor für Mikro und Nanotechnologie hergestellt und anschließend mit Röntgenmikroskopie an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS untersucht wurden. „Das Synchrotronlicht, das an der SLS erzeugt wird, erlaubt uns, das Verhalten von sehr kleinen Magneten zu verfolgen. Damit konnten wir auch den Einfluss eines kurzen Laserpulses auf einzelne Magnete beobachten“, erklärt Frithjof Nolting, Leiter der Arbeitsgruppe Magnetismus und Mikroskopie am PSI.
PSI / OD
