Physiker: Nach Experimenten in Dortmund wird Weg frei zu neuen Speichertechnologien

Der Experimentalphysiker Dr. Manfred Fiebig, bislang an der Universität Dortmund und inzwischen am Berliner Max Born Institut tätig, hat an dem Forschungsprojekt maßgeblich mitgewirkt.

Die Verbesserung der Materialien, und Techniken zur Datenspeicherung ist ein wichtiges Ziel der aktuellen Forschung. Bisher existieren eine Vielzahl magnetischer, elektrischer oder optischer Techniken, um Informationen in Abfolgen sogenannter Bits, das heißt, binärer Zustände, die entweder 0 oder 1 repräsentieren, zu speichern. Die Entwicklung neuer Methoden, die vorhandene Speichertechniken miteinander verbinden, könnte zu wesentlichen Fortschritten führen. In einem Artikel der Zeitschrift Nature wird nun erstmals über eine Wechselwirkung zwischen verschiedenen Effekten, die zur Datenspeicherung benutzt werden, berichtet. Die experimentellen Arbeiten hierzu wurden an der Universität Dortmund durchgeführt und dort und am Max-Born-Institut (MBI) in Berlin in Zusammenarbeit mit Forschern vom Ioffe-Institut in St. Petersburg ausgewertet.

Zur Speicherung benutzt man heute vorwiegend ferromagnetische Materialien, die sich über ihr Magnetfeld leicht beschreiben und auslesen lassen. Daneben existieren Antiferromagnete, die zwar kein Feld besitzen, jedoch für die Stabilisierung ferromagnetischer Strukturen unverzichtbar sind. Neben der magnetischen Ordnung, die auf eine einheitliche Bewegung von Elektronen in Atomen zurückgeht, ist auch eine ferro- oder antiferroelektrische Ordnung in Form einer einheitlichen statischen Ausrichtung von Elektronen bekannt. Ferroelektrische Materialien erlauben den Bau schneller und kompakter permanenter Speicherelemente wie sie den Bedürfnissen zur Datenspeicherung vor allem in dem Bereich der modernen Unterhaltungselektronik entsprechen.

Magnetische und elektrische Ordnung vereint

Die Untersuchung elektrisch und magnetisch geordneter YMnO3-Kristalle förderte Überraschendes zu Tage. Es wurde beobachtet, dass jeder Wechsel der elektrischen Ordnung von einem simultanen Wechsel der magnetischen Ordnung begleitet wird. Damit ergibt sich die Möglichkeit, magnetische Zustände durch Anlegen elektrischer Felder zu schalten, oder umgekehrt, auszulesen.

Voraussetzung für diese Beobachtung war die Entwicklung neuer experimenteller Methoden, mit denen sich sowohl elektrische als auch magnetische Strukturen gleichzeitig untersuchen lassen. Hier bot sich die Erzeugung der optischen zweiten Harmonischen an, mit der man die Verdopplung der Frequenz einer Lichtwelle in einem Kristall bezeichnet. Dieser üblicherweise sehr schwache Prozess, der nur bei der Anregung mit intensivem Laserlicht beobachtet werden kann, hängt empfindlich von der kristallinen Symmetrie ab. Da diese durch die elektrische und magnetische Ordnung beeinflusst wird, kann man mithilfe der Erzeugung der zweiten Harmonischen elektrische und magnetische Strukturen direkt abbilden. In früheren Arbeiten der Autoren wurde bereits gezeigt, dass sich diese Technik insbesondere zur Darstellung antiferromagnetischer Strukturen eignet, für deren Abbildung es kein alternatives allgemein anwendbares Verfahren gibt.

Weg frei zu neuartigen Speichertechnologien

Abgesehen von der sehr grundsätzlichen Bedeutung einer Kreuzkorrelation zwischen ansonsten unabhängigen Ordnungsstrukturen eröffnen sich vielfältige technologische Möglichkeiten. So könnte zum Beispiel mit geeigneten magnetisch und elektrisch geordneten Materialien der langsame thermo-magnetische Schreibprozess magnetooptischer Datenträger durch schnelles magnetisches Schalten über ein angelegtes elektrisches Feld ersetzt werden.

Zukünftige Experimente werden sich mit den physikalischen Grundlagen von Kopplungen in mehrfach geordneten Substanzen beschäftigen. Außerdem ist geplant, die bisherigen Ergebnisse auf dünne Materialfilme, wie sie für technologische Anwendungen erforderlich sind, zu übertragen. Des weiteren soll die zeitliche Dynamik des magnetischen Schaltverhaltens mit den am MBI vorhandenen Kurzpulslasern optisch untersucht werden.

Nähere Information:
Dr. Manfred Fiebig
Max-Born-Institut
Max-Born-Strasse 2A
12489 Berlin, Germany
Tel: 030-63921404
Fax: O30-6392-1489
E-Mail: fiebig@mbi-berlin.de