Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Licht schlägt Wellen im Magneten. Hocheffiziente Methode zur superschnellen Spinanregung entdeckt

04.10.2016

Der Verarbeitungsgeschwindigkeit von magnetischen Datenspeichern in handelsüblichen Computern sind physikalische Grenzen gesetzt, die zum Teil bereits technisch ausgereizt sind. Ein internationales Forscherteam aus Regensburg, Nijmegen, Moskau und Berlin hat nun eine neuartige Wechselwirkung zwischen kurzen Lichtfeldern und magnetischen Materialien entdeckt, die es in Zukunft erlauben könnte, die Geschwindigkeit solcher Datenträger um das Zehntausendfache zu erhöhen. Die Forschungsergebnisse werden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ vorgestellt.

Das dauerhafte Ablegen von Information in Computerfestplatten geschieht gewöhnlich auf magnetischen Materialien, beispielsweise einer Scheibe aus Eisen, Kobalt und Platin. Anschaulich kann man sich eine solche Scheibe als eine Ebene, gefüllt mit einer unvorstellbar großen Anzahl kleiner Kompassnadeln (im Fachjargon „Spins“ genannt), vorstellen.


Ein intensiver Terahertz-Impuls (rote Wellenform) ändert die elektronischen Orbitale in einem magnetischen Material und führt zur Schwingung von Spins (Kompassnadeln).

Dr. Rostislav Mikhaylovskiy – zur ausschließlichen Verwendung im Rahmen der Berichterstattung zu dieser Pressemitteilung.

Zum Abspeichern von Informationen präpariert ein Schreibkopf in der Festplatte die Kompassnadeln in einer bestimmten Richtung. Die Orientierung von Nord- und Südpol dieser Nadeln repräsentiert dabei die binäre Information, aus denen Daten des Benutzers, wie Texte, Fotos und Filme, später wieder zusammengesetzt werden können. Die Speicherkapazität von Festplatten konnte in den letzten Jahrzehnten rapide vergrößert werden.

Bei der Geschwindigkeit war dies bedauerlicherweise nicht der Fall und das Verarbeiten der heutzutage anfallenden riesigen Datenmengen wird zunehmend zum Problem. Inzwischen ist bei der Geschwindigkeit das physikalische Limit erreicht: Der Vorgang des Ummagnetisierens, also das Drehen der Spins mit dem Magneten des Schreibkopfes, kann nicht beliebig schnell erfolgen. Weltweit versuchen Forschergruppen daher in aufwändigen Studien neue Ansätze zu finden, um dieses fundamentale Problem zu umgehen.

Ein lange verfolgter Ansatz ist die Verwendung von kurzen Lichtimpulsen aus dem sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich, um die Richtung der Spins umzuschalten. Allerdings zeigte sich, dass sie in bisherigen Methoden nicht effizient genug mit dem Magneten wechselwirken. Als Folge davon würde man so starke Laserimpulse zum Umorientieren der Spins benötigen, dass das Speichermaterial beschädigt und unbrauchbar wird.

Ein Team um Prof. Rupert Huber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg und Dr. Rostislav Mikhaylovskiy sowie Prof. Alexey Kimel von der Radboud Universität in Nijmegen (Niederlande) hat nun eine neue Art der Wechselwirkung zwischen Lichtimpulsen und Spins realisiert, die wesentlich effizienter als bisherige Methoden funktioniert und Wege zu Datenspeichern der Zukunft mit einer zehntausendmal schnelleren Verarbeitungsrate eröffnen könnte.

Dazu verwendeten die Wissenschaftler die Regensburger Hochfeld-Terahertz-Quelle, die extrem kurze Lichtblitze bestehend aus einer einzelnen Lichtschwingung mit Wellenlängen im Grenzbereich zwischen Mikrowellen und sichtbarem Licht erzeugen kann. Die Forscher benutzten das elektrische Feld dieser Lichtblitze, um in einem Magneten gezielt die Elektronenorbitale zu beeinflussen – das heißt den Weg, auf dem sich die Elektronen um die Atomkerne herum bewegen.

Interessanterweise hat dies in einigen Materialien einen starken Einfluss auf die Anordnung der Spins: Als Folge der neuen Ausrichtung der Elektronenorbitale wird auch der Spin der Elektronen blitzschnell gezwungen, seine Richtung anzupassen und es bilden sich Spinwellen aus. Ähnlich wie bei einer La-Ola-Welle im Fußballstadion bewegt sich nach der Anregung durch den Lichtimpuls eine Front von Spinoszillationen durch den Magneten.

Im Gegensatz zu bisher bekannten Techniken ist diese Methode der magnetischen Anregung extrem effizient: Erhöht man die Stärke der Terahertz-Lichtimpulse beispielsweise um den Faktor zwei, ergibt sich eine vierfache Steigerung der Amplitude der Spinwelle. Gleichzeitig hinterlassen Terahertz-Impulse aufgrund ihrer geringen Photonenenergie keine ungewollten Spuren in der Probe: Die verwendete Energie fließt quasi komplett in die Bewegung der Spins und die Anregungsstärke kann fast beliebig erhöht werden.

Die Berechnungen der Wissenschaftler sagen voraus, dass eine weitere Verdreifachung der Terahertzfelder ausreichen könnte, um eine derart starke Wellenbewegung in den Spins auszulösen, dass sie dauerhaft ihre Richtung ändern – was dem Schreiben eines Bits in einer Festplatte entspräche. Dieser Schreibvorgang würde innerhalb von wenigen hundert Femtosekunden erfolgen (eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde) und damit etwa zehntausendmal so schnell wie das Schreiben einer Dateneinheit in einer heute üblichen Festplatte. Die Ergebnisse dieser Studie liefern einen wichtigen Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Wechselwirkung von Licht und Magnetismus auf ultrakurzen Zeitskalen und sind von fundamentaler Bedeutung für die Informationstechnologie der Zukunft.


Originalpublikation:
S. Baierl, M. Hohenleutner, T. Kampfrath, A.K. Zvezdin, A.V. Kimel, R. Huber and R.V. Mikhaylovskiy,
Nonlinear spin control by terahertz-driven anisotropy fields, Nature Photonics 2016
Publikation: DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.181


Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Rupert Huber
Universität Regensburg
Lehrstuhl für Experimentelle und Angewandte Physik
Telefon: 0941 943-2071
E-Mail: rupert.huber@physik.uni-regensburg.de

Dr. Rostislav Mikhaylovskiy
Radboud University
Institute for Molecules and Materials
Telefon: 0031 24365 3094
E-Mail: r.mikhaylovskiy@science.ru.nl

Petra Riedl |

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Ein stabiles magnetisches Bit aus drei Atomen
21.09.2017 | Sonderforschungsbereich 668

nachricht Drohnen sehen auch im Dunkeln
20.09.2017 | Universität Zürich

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie