26.06.2018

Nano-Magnonik mit besonderem Dreh

Magnetische Tröpfchen zeigen unerwartetes Verhalten – interessant für magnetische Datenverarbeitung.

Der Leiter der Gruppe „Nano-Magnonik und Magnetisierungs­dynamik“ am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart (MPI-IS), Joachim Gräfe, hat erforscht, was passiert, wenn Strom durch einen nur achtzig Nano­meter kleinen Kontakt fließt, auf eine magnetische Schicht trifft, und wie sich dann ein Soliton eines magnetischen Tröpfchens mittels des Zhang-Li-Dreh­moments ausdehnt. Das Ergebnis ist eine Fläche doppelt so groß wie der Nano­kontakt. Bisher waren Forscher davon ausgegangen, dass sich nur die Fläche direkt unter­halb des Nano­kontakts verändert. Doch Experimente mit einem Röntgen­mikroskop namens MAXYMUS, das wegen der kürzeren Wellen­länge von Röntgen­strahlen selbst Strukturen kleiner als zehn Nanometer sicht­bar werden lässt, haben die Wissenschaftler eines Besseren belehrt.

Abb.: Schema eines senkrecht magnetisierten Spin-Torque Nano-Oszillators. Der Strom fließt durch den Nanokontakt, der in der obersten Schicht des Stapels geöffent wurde. (Bild: MPI-IS)

„Was uns antrieb, war zu verstehen, was passiert, wenn ein lokaler Strom auf die magnetische Schicht trifft“, sagt Gräfe. „Unser Röntgen­mikroskop hat einzig­artige Bilder von diesen magnetischen Systemen geliefert. Die Ausbildung magnetischer Tröpfchen konnte bis jetzt noch nie jemand beobachten. Wir haben damit die Grundlagen­forschung im Bereich Nano­magnetismus einen Schritt weiterbringen können.“

„Die Theorie hat vorhergesagt, dass sich nur die Fläche unterhalb des Nano­kontakts verändert. Aber wir haben etwas anderes beobachtet, als wir das magnetische Tröpfchen unter dem Röntgen­mikroskop beobachtet haben – eine Überraschung“, fügt Gisela Schütz hinzu. Sie ist Direktorin der Abteilung für moderne magnetische Systeme am MPI-IS, zu der auch Gräfes Forschungsgruppe gehört. „Es hat wieder einmal gezeigt: Das Experiment hat immer das letzte Wort.“

Die Abbildung zeigt ein solches magnetisches Bauteil. Es besteht aus verschiedenen Schichten. Innerhalb der blauen Schicht aus Kobalt (Co) und Nickel (Ni), dem „free layer“, hat Gräfe seine interessante Entdeckung gemacht. Er leitete Strom durch einen kleinen Nano­kontact (NC im Bild) in das magnetische Bauteil. Er hat damit das simuliert, was passieren kann, wenn magnetische Hoch­geschwindigkeits­speicher Informationen schreiben. „Irgendwie lassen sich so Daten in dieser Kobalt-Nickel-Schicht einprägen, aber wie genau das funktioniert, wusste niemand. Es war bis jetzt immer eine Black Box“, erklärt Gräfe. Der Forscher zeigt nun aber, dass wenn Strom zum Schreiben von Daten auf das magnetische Bauteil trifft, die magnetische Schicht unterhalb des Nano­kontakts sich so verhält, wie wenn ein Wasser­tropfen auf eine Wasser­oberfläche fällt.

Nur „die durch den Strom in Schwung geratene Fläche inner­halb der magnetischen Schicht ist doppelt so breit wie der Nano­kontact (grüner Ring) groß ist – eine Überraschung! Man hätte eigentlich erwartet, dass der Durch­messer der magnetischen Schicht genauso groß ist wie der Nano­kontact breit ist. So dachte bis jetzt die Wissenschafts­welt.“ Aber was Gräfe beobachtete, war, dass der Durch­messer doppelt so groß war, weil zusätzliche Effekte auf das magnetische Tröpfen wirken. Gräfe führt dazu aus: „die große Diskrepanz entsteht vor allem durch den Zhang-Li-Dreh­moment, der einen Druck nach außen auf den Tropfen­umfang ausübt. Elektrische Messungen an Tröpfchen, die mit einem umgekehrten Strom im anti­parallelen Zustand nukleiert wurden, bestätigen dieses Bild.“

„Unsere Errungenschaft ist, dass wir sehen können, wie das genau auf der Nanoskala funktioniert, was da mikro­skopisch passiert. Wir haben damit grund­legende physikalische Frage­stellungen beantworten können, die bei dem Design von neu­artigen magnetischen Speicher­technologien von entscheidender Bedeutung sind“, schließt Gisela Schütz.

MPI-IS / DE

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