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 Schnelle Time-to-Market durch standardisierte Datacenter-Container
28.03.2017 | Rittal GmbH & Co. KG

nachricht Modellfabrik Industrie 4.0: Forschungs- und Trainingsplattform für Wissenschaft und Wirtschaft
28.03.2017 | Hochschule Konstanz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Entwicklung miniaturisierter Lichtmikroskope - „ChipScope“ will ins Innere lebender Zellen blicken

Das Institut für Halbleitertechnik und das Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, beide Mitglieder des Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), der Technischen Universität Braunschweig, sind Partner des kürzlich gestarteten EU-Forschungsprojektes ChipScope. Ziel ist es, ein neues, extrem kleines Lichtmikroskop zu entwickeln. Damit soll das Innere lebender Zellen in Echtzeit beobachtet werden können. Sieben Institute in fünf europäischen Ländern beteiligen sich über die nächsten vier Jahre an diesem technologisch anspruchsvollen Projekt.

Die zukünftigen Einsatzmöglichkeiten des neu zu entwickelnden und nur wenige Millimeter großen Mikroskops sind äußerst vielfältig. Die Projektpartner haben...

Im Focus: A Challenging European Research Project to Develop New Tiny Microscopes

The Institute of Semiconductor Technology and the Institute of Physical and Theoretical Chemistry, both members of the Laboratory for Emerging Nanometrology (LENA), at Technische Universität Braunschweig are partners in a new European research project entitled ChipScope, which aims to develop a completely new and extremely small optical microscope capable of observing the interior of living cells in real time. A consortium of 7 partners from 5 countries will tackle this issue with very ambitious objectives during a four-year research program.

To demonstrate the usefulness of this new scientific tool, at the end of the project the developed chip-sized microscope will be used to observe in real-time...

Im Focus: Das anwachsende Ende der Ordnung

Physiker aus Konstanz weisen sogenannte Mermin-Wagner-Fluktuationen experimentell nach

Ein Kristall besteht aus perfekt angeordneten Teilchen, aus einer lückenlos symmetrischen Atomstruktur – dies besagt die klassische Definition aus der Physik....

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Industriearbeitskreis »Prozesskontrolle in der Lasermaterialbearbeitung ICPC« lädt nach Aachen ein

28.03.2017 | Veranstaltungen

Neue Methoden für zuverlässige Mikroelektronik: Internationale Experten treffen sich in Halle

28.03.2017 | Veranstaltungen

Wie Menschen wachsen

27.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Von Agenten, Algorithmen und unbeliebten Wochentagen

28.03.2017 | Unternehmensmeldung

Hannover Messe: Elektrische Maschinen in neuen Dimensionen

28.03.2017 | HANNOVER MESSE

Dimethylfumarat – eine neue Behandlungsoption für Lymphome

28.03.2017 | Medizin Gesundheit