Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein schneller Schalter für Magnetnadeln

12.04.2011
Magnetische Vortex-Kerne, die sich als besonders stabile Speicherpunkte für Datenbits eignen, lassen sich nun deutlich schneller schalten

Mikroskopisch winzige ferromagnetische Plättchen zeigen ein Phänomen, das in Zukunft für eine besonders stabile magnetische Speicherung von Daten genutzt werden könnte: so genannte magnetische Vortex-Kerne. Dabei handelt es sich um nadelförmige magnetische Strukturen mit 20 Nanometern (Millionstel Millimeter) Durchmesser.


Ein Datenpunkt ändert die Polarisierung: Der Probenausschnitt zeigt die Magnetisierung, während sie sich von oben nach unten umkehrt. © M. Kammerer / MPI für intelligente Systeme


Ein schneller Schalter für Bits: Mit dem neuen Schaltmechanismus bei 5,0 Gigahertz lässt sich ein magnetischer Vortex-Kern, der hier in dem inneren Probenausschnitt dargestellt ist, in 0,2 Nanosekunden umpolen. Der neue Mechanismus über eine Spinwellenanregung ist somit zwanzigmal schneller als der alte Mechanismus bei 0,24 Gigahertz. © M. Kammerer / MPI für intelligente Systeme

Vor fünf Jahren fanden Forscher des Max-Planck-Institutes für Intelligente Systeme (ehemals Max-Planck-Institut für Metallforschung) in Stuttgart einen Weg, die Magnetfeldnadeln trotz ihrer Stabilität mit winzigem Energieaufwand umzukehren, sodass ihre Spitze in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Ein solcher Schaltvorgang ist die Vorraussetzung, um die Vortex-Kerne in der Datenverarbeitung verwenden zu können. Nun haben die Stuttgarter Wissenschaftler einen neuen Mechanismus entdeckt, der diesen Schaltprozess um mindestens das 20-fache beschleunigt und ihn auf einen weitaus engeren Raum begrenzt als vorher. Somit könnten magnetische Vortex-Kerne eine zugleich stabile, schnelle und stark miniaturisierte Datenspeicherung ermöglichen.

Nur rund ein tausendstel Millimeter Kantenlänge und wenige Millionstel Millimeter Dicke: diese winzigen Abmessungen haben die Plättchen aus Permalloy, einer Legierung aus Nickel und Eisen, die die Forscher um Hermann Stoll vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme untersuchen. Die Plättchenform sorgt für die Ausbildung einer geordneten magnetischen Struktur. Die Ordnung erinnert an eine Zielscheibe: wie winzige Kompassnadeln bilden die magnetischen Momente der Atome in der Ebene des Plättchens konzentrische Kreise, so genannte Wirbel oder auf Englisch Vortices.

In der Mitte des Plättchens ändert sich diese kreisförmige Ordnung. „Stellen Sie sich vor, man legt konzentrische Kreise aus Streichhölzern“, erklärt Hermann Stoll. „In der Mitte des Kreises geht das nicht, weil die Streichhölzer zu lang sind. Man muss sie dann aus der Ebene herausdrehen, sodass sich eine Nadel bildet, die senkrecht zur Ebene steht“. In den Vortex-Plättchen passiert etwas Ähnliches: Es bildet sich eine Art Magnetfeldnadel, die aus der Ebene herausragt, der so genannte Vortex-Kern, mit gerade einmal 20 Nanometern Durchmesser. Weil er entweder nach oben oder nach unten zeigen kann, könnte er für die Speicherung von einem Informationsbit genutzt werden.

Mit einem von außen wirkenden Magnetfeld lässt sich die Polarität des Vortex-Kerns umschalten, allerdings muss es sehr stark sein, etwa ein halbes Tesla. Das entspricht etwa einem Drittel des Feldes, das der stärkste Dauermagnet liefern kann. Dies bringt einerseits den Vorteil mit sich, dass ein entsprechender Magnetspeicher gegen störende Magnetfelder stabil wäre. Diese Stabilität gerät andererseits aber auch zum Nachteil, da sie das Umkehren des Vortex-Kernes und somit das Verarbeiten von Daten erschwert.

Der neue Schaltmechanismus ermöglicht kompaktere Speicher
Doch es gibt raffinierte Mechanismen, die das Umschalten des Vortex-Kernes mit kleineren Magnetfeldern ermöglichen, ohne die magnetische Stabilität zu verlieren. Vor fünf Jahren fanden die Stuttgarter Forscher, zusammen mit Kollegen der Universität Gent, der Advanced Light Source in Berkeley, Kalifornien, des Forschungszentrums Jülich und den Universitäten Regensburg und Bielefeld, einen Weg, wie sich der Vortex-Kern mit einem 300 Mal schwächeren Magnetfeldpuls dynamisch umschalten lässt. Beobachtet haben die Wissenschaftler den zuvor unbekannten Mechanismus mithilfe der so genannten zeitaufgelösten magnetischen Raster-Röntgenmikroskopie, die am Stuttgarter Max-Planck-Institut entwickelt und in Berkeley an der Advanced Light Source durchgeführt worden war.

Inzwischen hat die Abteilung Schütz des Max-Planck-Institutes für Intelligente Systeme in enger Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum bei BESSY II in Berlin ein neuartiges Rasterröntgenmikroskop aufgebaut. Hier haben die Stuttgarter Physiker, zusammen mit Wissenschaftlern der Universitäten Gent und Regensburg, nun einen weiteren Mechanismus entdeckt, mit dem sich ein Vortex-Kern mindestens 20 Mal schneller umschalten lässt als bisher, nämlich innerhalb von rund 200 Pikosekunden, wobei die Forscher einen Magnetfeldpuls im Gigahertzbereich anlegen. Vor fünf Jahren hatten sie einen Puls im Megahertzbereich verwendet und das Umschalten dauerte vier Nanosekunden.

Bei dem jetzt entdeckten Mechanismus werden so genannte Spinwellen, also sich wellenförmig ausbreitende Fluktuationen der Magnetisierung des Materials, erzeugt. Wie das Wissenschaftlerteam festgestellt hat, sind diese Anregungen in der Lage, den Vortex-Kern umzuschalten. Der Forschergruppe gelang es zudem, dieses Phänomen theoretisch zu beschreiben. „Wir können voraussagen, dass es möglich ist, die Umschaltzeit noch um einen Faktor 10 zu verkürzen“, sagt Hermann Stoll.

Wenn es darum geht, einen Vortex-Kern als Speicherbit zu nutzen, bringt der jetzt beobachtete Effekt neben der höheren Schaltgeschwindigkeit einen weiteren Vorteil. Der Vortex-Kern bleibt beim Schalten mit Spinwellen nämlich nahezu ortsfest. Dagegen muss er beim langsameren Schalten mit Frequenzen im Megahertz-Bereich, wie sie vor fünf Jahren entdeckt worden waren, weit aus seiner Gleichgewichtslage ausgelenkt werden, so dass ein Speicherbit mehr Platz benötigt. Der neue Mechanismus ermöglicht also eine weitere Miniaturisierung, wenn künftig möglicherweise einmal Datenspeicher konstruiert werden, die nach diesem Prinzip arbeiten.

Ansprechpartner
Dr. Hermann Stoll
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart
Telefon: +49 711 689-1848
Fax: +49 711 689-1952
E-Mail: stoll@mf.mpg.de
Matthias Kammerer
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart
Telefon: +49 711 689-3438
Fax: +49 711 689-1952
E-Mail: kammerer@is.mpg.de
Originalveröffentlichung
Matthias Kammerer, Markus Weigand, Michael Curcic, Matthias Noske, Markus Sproll, Arne Vansteenkiste, Bartel Van Waeyenberge, Hermann Stoll, Georg Woltersdorf, Christian H. Back, Gisela Schuetz
Magnetic vortex core reversal by excitation of spin waves
Nature Communications, 12. April 2011; doi: 10.1038/ncomms1277

Dr. Hermann Stoll | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/1362966/vortexkerne_als_datenspeicher?page=2

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Beschichtung lässt Muscheln abrutschen
18.08.2017 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht PKW-Verglasung aus Plastik?
15.08.2017 | Technische Hochschule Mittelhessen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer IPM präsentiert »Deep Learning Framework« zur automatisierten Interpretation von 3D-Daten

22.08.2017 | Informationstechnologie

Globale Klimaextreme nach Vulkanausbrüchen

22.08.2017 | Geowissenschaften

RWI/ISL-Containerumschlag-Index erreicht neuen Höchstwert

22.08.2017 | Wirtschaft Finanzen