22.04.2004

Tempolimit für Magnetspeicher

Gibt es eine maximal erreichbare Geschwindigkeit, mit der magnetische Speicher beschrieben werden können?

Tempolimit für Magnetspeicher

Stanford (USA) - Immer schneller stellen Festplatten zunehmend mehr Daten auf engstem Raum zur Verfügung. Die Grenze der Miniaturisierung dieser magnetischen Datenträger sehen Speicherexperten bei rund 150 Gigabit pro Quadratzoll. Nun ermittelten amerikanische Physiker auch ein Tempolimit für die maximal erreichbare Schreibgeschwindigkeit und berichten darüber im Fachblatt "Nature". Bei theoretischen Magnetfeldern im Teslabereich können die einzelnen magnetischen Domänen ihren magnetischen Spin nicht schneller als innerhalb einiger Pikosekunden ausrichten. Damit wären sie rund Zehntausend mal langsamer als die kürzesten Laserpulse, die für zukünftige, optische Datenspeicher zur Anwendung kommen könnten.

"Wenn ein magnetisches Feld B p als Schreibpuls über eine Periode t wirkt, präzediert der Magnetisierungs-Vektor bis ein Grenzwert für das Umschalten erreicht wird", erklären John Stöhr und seine Kollegen vom Stanford Synchrotron Radiation Laboratory. Da dieser Schwellenwert durch die beiden Faktoren Magnetfeld und Zeit bestimmt wird, sind entweder stärkere Magnetfelder oder längere Schaltzeiten nötig, um den magnetischen Spin einer Domäne dauerhaft auszurichten. In ihren Versuchen verwendeten die Forscher eine 14 Nanometer dünne Schicht aus einer Kobalt-Chrom-Platin-Legierung, wie sie heute in leistungsfähigen Festplatten genutzt werden. Die Korngröße der einzelnen, magnetisierbaren Domänen bestimmten sie auf etwa 20 Nanometer.

Diese Probe setzten sie extrem kurzen und starken Magnetpulsen aus. Dazu diente ihnen ein Linearbeschleuniger, in dem einzelne Elektronenpakete nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden. Mit Energien von bis zu 28 Gigaelektronenvolt (GeV) erzielten sie in der Probe Magnetfelder von über 50 Tesla pro Mikrometer bei einer Pulslänge von t = 2,3 Pikosekunden. Mit zunehmendem Abstand vom Fokus des Elektronenstrahls nimmt das Magnetfeld schnell mit 1/R ab. Die tatsächlich auf der Probe wirksamen Feldstärken bewegten sich dabei zwischen einem und drei Tesla. Dadurch offenbarte sich in konzentrischen Kreisen sichtbar die Abhängigkeit der dauerhaften Magnetisierbarkeit vom wirkenden Magnetfeld bei einer konstanten Zeitdauer für den Puls.

Mit jedem einzelnen "Elektronenschuss" wird die Probe einem Magnetpuls ausgesetzt und man erwartet jeweils ein Umschalten der ausgerichteten Spins in der Probe. Doch schon nach wenigen Schaltprozessen reagierten die magnetischen Spins nicht mehr einheitlich. Ließen sich die "inneren" Domänen mit rund drei Tesla noch relativ zuverlässig zwischen den beiden Spinausrichtungen hin und her schalten, verschmierten die Grenzen bei niedrigeren Feldstärken deutlich. Schon bei zwei Tesla reichten die rund zwei Pikosekunden nicht mehr aus, um die Spinwerte zwischen "0" und "1" zuverlässig zu schalten.

Der Grund liegt wahrscheinlich in der leicht variierenden Ausgangslage der Magnetspins: Je nach Temperatur schwanken sie mehr oder weniger um einen Mittelwert. Dadurch reicht bei einigen das wirkende Magnetfeld noch für ein Umschalten aus, bei anderen jedoch nicht. Das Ergebnis: Die Grenzen von "0"- und "1"- Regionen verschwimmen und eine verlässliche Magnetspeicherung ist nicht mehr möglich. Doch im Prinzip ließen sich mit dem Pikosekunden-Tempolimit in den nächsten Jahren noch magnetische Datenspeicher entwickeln, die bis tausendmal schneller als die heute verfügbaren Festplatten sind.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

  • Hillebrands B. et al., Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures I (Springer, Berlin, 2002).  
  • Lu. B. et al., High anisotropy CoCrPt(B) media for perpendicular magnetic recording, J. Appl. Phys. 93, 6751.

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