12.01.2021

Wie sich magnetische Nanoknoten lösen

Neuer Prozess zur Nutzung von Skyrmionen in der Datenspeicherung.

Skyrmionen sind kleine magnetische Wirbel, die durch geeignete Kombination von Materialien entstehen. In der Datenspeicherung gelten sie als zukünftige Informations­träger. Wissenschaftler der RWTH Aachen, der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel und der Universität Reykjavík fanden heraus, dass sich diese magnetischen Nanoknoten auf zwei Arten lösen können. Mit Hilfe eines Magnet­feldes lässt sich die Wahrschein­lichkeit der Knoten­auflösung um bis zu einen Faktor 10.000 verändern. Diese Erkenntnis könnte wegweisend für die Informations­verarbeitung mit Skyrmionen sein. 

Magnetische Nanoknoten kodieren die Information durch ihre An- oder Abwesenheit. Von Vorteil ist, dass die Knoten extrem stabil und nur wenige Nanometer groß sind. Sie existieren bei Raumtemperatur und können durch kleinste elektrische Ströme verschoben werden. Aufgrund der kleinen Ströme ist die Information besonders energieeffizient auslesbar. Prinzipiell führen Skyrmionen auch Rechenoperationen durch, so dass Daten­speicherung und -verarbeitung in einer Struktur kombiniert werden könnte. Dies macht Computer kompakter und vor allem energie­effizienter. Aufgrund dieser Perspektiven wird weltweit an der Optimierung der Eigen­schaften von Skyr­mionen gearbeitet. Ein Fokus liegt dabei auf der Stabilität: Während sich Skyrmionen durch eine extrem hohe Stabilität auszeichnen, zerfallen die kleinsten Skyrmionen, die für hohe Speicherdichten benötigt werden, bei Raumtemperatur noch viel zu schnell. Mit einem detaillierten Verständnis der möglichen Zerfalls­mechanismen ließe sich ihre Stabilität erheblich verbessern.

Die außer­gewöhnliche Stabilität von Skyrmionen entsteht durch die knotenartige Anordnung der atomaren Magnete. Wie bei einem Seil, bei dem das Ende durch das Knoten­loch gezogen werden muss, lässt sich auch die atomare Knotenstruktur nur mit Aufwand lösen. Beim magnetischen Nanoknoten gibt es allerdings einen etwas einfacheren Weg: Nachdem ein einzelner atomarer Magnet gegen die rück­treibenden Kräfte der Nachbar­atome umgedreht wurde, löst sich der Knoten von selbst. Welcher von den etwa einhundert atomaren Magneten des Skyrmions am einfachsten umzudrehen ist und wie dies im Detail geschieht, war jedoch bisher nicht bekannt.

Das Team bündelte seine Expertisen aus Theorie und Experiment, um diese Frage zu beantworten. „Welcher atomare Magnet sich am leichtesten umdreht, hängt von den Rahmen­bedingungen ab“, sagt Florian Muckel vom RWTH-Lehrstuhl für Experimental­physik. „Durch Verändern eines auf die Skyrmionen wirkenden Magnetfeldes können wir zwischen zwei Mechanismen wählen.“ Beim ersten Mechanismus wird das Skyrmion zunächst auf einen Nanometer zusammen­gepresst, um das Umklappen im Zentrum zu vereinfachen. Beim zweiten Mechanismus schiebt das Knotenzentrum einen Nanometer nach außen, bevor dort einer der atomaren Magnete relativ leicht umkippen kann. Muckels Doktorvater Markus Morgenstern ergänzt: „Mit Hilfe der zwei Mechanismen können wir außerdem die Effizienz der Knoten­auflösung kontrollieren. Die Stabilität der Skyrmionen ändert sich dabei um bis zu einem Faktor 10.000, wobei die stabilste Konfiguration einer Billiarde Entknotungs-Versuchen standhält, bevor der Knoten platzt.“

Das neuartige Verständnis der magnetischen Entknotung entstand durch den präzisen Vergleich von Experimenten aus Aachen mit theoretischen Arbeiten aus Kiel und Reykjavik. Mit atomistischen Computer­simulationen, basierend auf langjähriger Entwicklung neuartiger theo­retischer Methoden, kann die Bewegung jedes einzelnen atomaren Magneten während des Vorgangs verfolgt werden. „Die Ergebnisse stimmen auch dank der Verwendung von material­spezifischen Parametern aus quanten­mechanischen Rechnungen im Detail mit den innovativen Experimenten überein“, erläutert Stefan Heinze von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

Im Experiment wurden einzelne Elektronen an verschiedenen Stellen des Skyrmions eingebracht. Für jede Stelle wurde bestimmt, ob der Nanoknoten bestehen bleibt oder ob er sich aufgrund der vom Elektron mitgebrachten Energie entknotet. Daraus konnten Karten der Wahrschein­lichkeit für die Entknotung des Skyrmions erstellt werden. „Die Über­einstimmung von Experiment und Simulation ist beein­druckend. Es ist schon phantastisch, wenn eigene Berechnungen so präzise von der Natur befolgt werden“, stellt Stephan von Malottki fest, der die Simulationen an der Uni Kiel durchgeführt hat. „Dies ist ein großer Erfolg unserer theoretischen Methoden­entwicklung“, ergänzt Pavel Bessarab aus Reykjavik. Die neuen Erkennt­nisse zu den Grenzen der Stabilität sollen magnetische Nanoknoten noch stabiler machen. Dadurch wird die Anwendung magne­tischer Nanoknoten in der Informations­verarbeitung effizienter und Nanoknoten könnten sich in der kommerziellen Daten­speicherung durchsetzen.

RWTH Aachen / JOL

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