13.04.2011

Schneller Schalter für Magnetnadeln

Magnetische Vortex-Kerne, die sich als Speicherpunkte für Datenbits eignen, lassen sich nun schneller schalten.

Magnetische Vortex-Kerne, die sich als Speicherpunkte für Datenbits eignen, lassen sich nun schneller schalten.

Mikroskopisch winzige ferromagnetische Plättchen zeigen ein Phänomen, das in Zukunft für eine besonders stabile magnetische Speicherung von Daten genutzt werden könnte: so genannte magnetische Vortex-Kerne. Dabei handelt es sich um nadelförmige magnetische Strukturen mit 20 Nanometern Durchmesser. Diese Magnetfeldnadeln lassen sich trotz ihrer Stabilität mit geringem Energieaufwand umzukehren, sodass ihre Spitze in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Ein solcher Schaltvorgang ist die Vorraussetzung, um die Vortex-Kerne in der Datenverarbeitung verwenden zu können. Nun haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme einen Mechanismus entdeckt, der den Schaltprozess um rund das 20-fache beschleunigt und ihn auf einen weitaus engeren Raum begrenzt als vorher.

Abb.: Mit dem neuen Schaltmechanismus bei 5,0 Gigahertz lässt sich ein magnetischer Vortex-Kern, der hier in dem inneren Probenausschnitt dargestellt ist, in 0,2 Nanosekunden umpolen. Der neue Mechanismus über eine Spinwellenanregung ist somit zwanzigmal schneller als der alte Mechanismus bei 0,24 Gigahertz. (Bild: M. Kammerer / MPI für intelligente System)

Die Forscher verwendeten Plättchen aus Permalloy, einer Legierung aus Nickel und Eisen, deren Form für die Ausbildung der geordneten magnetischen Struktur sorgt. Die magnetischen Momente der Atome bilden in der Ebene des Plättchens konzentrische Kreise, so genannte Wirbel (englisch: vortices). In der Mitte dieser Vortex-Plättchen drehen sich die Momente aus der Ebene heraus und es bildet sich eine Art Magnetfeldnadel, der so genannte Vortex-Kern, mit etwa 20 Nanometern Durchmesser. Weil er entweder nach oben oder nach unten zeigen kann, könnte er für die Speicherung von einem Informationsbit genutzt werden.

Zum Umschalten der Polarität des an sich magnetisch stabilen Vortex-Kerns werden Magnetfeldpulse verwendet. Bisher dauerte das Umschalten vier Nanosekunden unter Verwendung eines Pulses im Megahertzbereich. Nun ist es den Forschern mit einem Magnetfeldpuls im Gigahertzbereich gelungen, den Vortex-Kern innerhalb von rund 200 Pikosekunden, also etwa 20 Mal schneller, umzuschalten. Bei dem Mechanismus, der das schnelle Umschalten möglich macht, werden Spinwellen, also sich wellenförmig ausbreitende Fluktuationen der Magnetisierung des Materials, erzeugt. Diese Anregung führt zum Wechsel der Polarität des Vortex-Kerns.

Wenn es darum geht, einen Vortex-Kern als Speicherbit zu nutzen, bringt der jetzt beobachtete Effekt neben der höheren Schaltgeschwindigkeit einen weiteren Vorteil. Der Vortex-Kern bleibt beim Schalten mit Spinwellen nämlich nahezu ortsfest. Dagegen muss er beim langsameren Schalten mit Frequenzen im Megahertz-Bereich weit aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt werden, so dass ein Speicherbit mehr Platz benötigt. Der neue Mechanismus ermöglicht also eine weitere Miniaturisierung, wenn künftig möglicherweise einmal Datenspeicher konstruiert werden, die nach diesem Prinzip arbeiten.

MPG / MH

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