Domänenwände als neue Informationsspeicher

Auf der Suche nach immer kleineren Bauteilen für die Datenspeicherung und neuartigen Sensoren haben Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) die Vorgänge in magnetischen Nanodrähtchen direkt beobachtet und damit den Weg für weitere Forschungen auf dem Gebiet des Nanomagnetismus geebnet.

Hierbei werden kleine magnetische Domänenwand-Strukturen in einem Nanodraht genutzt, um Informationen zu speichern oder z.B. Winkeländerungen zu detektieren. Erste Anwendungen, die auf dem Prinzip von magnetischen Domänenwänden beruhen, werden bereits in der Sensortechnologie genutzt.

Mit den jetzigen Beobachtungen wurden vorhergesagte Zusammenhänge erstmals experimentell durch direkte Abbildung festgehalten und neue Eigenschaften gefunden, die in Zukunft eventuell für weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Informationstechnologie nutzbar gemacht werden können.

Der Nanomagnetismus beruht auf kleinen Strukturen, sogenannten Domänen, die in ferromagnetischen Materialien einen Bereich einheitlicher Magnetisierung bilden. Innerhalb einer Domäne weist die Magnetisierung in eine bestimmte Richtung. Treffen Domänen unterschiedlicher Ausrichtung aufeinander, wird dieser Bereich als Domänenwand bezeichnet.

An der JGU untersucht die Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui die Eigenschaften magnetischer Domänen und die Dynamik von Domänen und Domänenwänden in nanoskopisch kleinen Ringen. An diesen Ringen von etwa 4 Mikrometer Durchmesser, bestehend aus Permalloy, einer weichen ferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung, konnten nun die Bewegungen der Domänenwand direkt beobachtet werden.

Hierzu arbeiteten die Mainzer Physiker mit Wissenschaftlern der Synchrotronanlagen BESSY II des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und ALS (Advanced Light Source), Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA, zusammen sowie mit der Technischen Universität Berlin und dem Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart.

Die Wissenschaftler konnten beobachten, dass die Geschwindigkeit der Domänenwände immer oszilliert. „Das ist ein neuer Effekt, den man vielleicht in Zukunft nutzen könnte“, erklärt Dr. André Bisig, Erstautor der Studie „Correlation between spin structure oscillations and domain wall velocities“, die am 27. August von Nature Communications veröffentlicht wurde.

Es zeigte sich außerdem, dass die angewandte Methode sehr gut funktioniert, um die Domänenwände zuverlässig bei sehr hohen Geschwindigkeiten zu bewegen. „Je schneller wir die Domänenwand drehen, desto einfacher ist es, sie zu kontrollieren“, so Bisig. Eine weitere Beobachtung betrifft die Auswirkungen, die von Unregelmäßigkeiten oder Defekten in den Nanodrähten ausgehen.

Diese Auswirkungen machen sich nur, so die Ergebnisse, bei langsamen Domänenwänden bemerkbar. Je schneller eine Domänenwand gedreht wird, umso weniger spielen Defekte im Material eine Rolle.

Während sich die Grundlagenforschung auf die Beobachtung der Domänenwandgeschwindigkeit und den Zusammenhang mit der Oszillation in der Spinstruktur bezieht, haben die Ergebnisse auch wichtige Konsequenzen für die anwendungsorientierte Forschung. So werden Domänenwand-basierte Sensoren bereits von der Firma Sensitec GmbH, Mainz, genutzt, einem Kooperationspartner der JGU und der TU Kaiserslautern bei zwei vom Land Rheinland-Pfalz geförderten Projekten: der Spintronik-Technologieplattform in Rheinland-Pfalz (STeP) und dem Technologietransfer-Dienstleistungszentrum für Neue Materialien (TT-DINEMA).

„Insbesondere unsere Beobachtung der störungsfreien Domänenwandbewegung bei hohen Domänenwandgeschwindigkeiten liefert einen vielversprechenden Ansatz, um diese Nanostrukturen für ultraschnell rotierende Sensoren zu nutzen“, teilte Mathias Kläui dazu mit. Die Forschungen der Arbeitsgruppe Kläui werden durch einen ERC Starting Grant und die Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ) gefördert. Außerdem hat die Zusammenarbeit mit Sensitec zu einem gemeinsamen EU-Projekt mit sieben weiteren führenden Partnern geführt, das im Oktober 2013 die Arbeit aufnimmt: „Controlling domain wall dynamics for functional devices“.

Veröffentlichung:
André Bisig et al.
Correlation between spin structure oscillations and domain wall velocities
Nature Communications, 27. August 2013
DOI: 10.1038/ncomms3328
Weitere Informationen:
Dr. André Bisig
Kläui-Lab
Theorie der kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23635
E-Mail: bisig@uni-mainz.de
http://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/