Domänenwände in Nanodrähten trickreich in Bewegung gesetzt

Demonstration der synchronen Verschiebung mehrerer Domänenwände über große Distanzen durch angepasste senkrechte Feldpulse Quelle: Kläui-Lab, Institut für Physik, Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Bei der Erforschung von Prozessen zur Informationsverarbeitung in Nanomagneten ist Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ein entscheidender Durchbruch gelungen. Mit Hilfe eines Tricks konnten sie die Domänenwände in einem ferromagnetischen Nanodraht synchron verschieben. Dazu wurde senkrecht zur Ebene der Domänenwände ein gepulstes Magnetfeld angelegt.

„Das ist eine radikal neue Lösung“, teilte Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui vom Institut für Physik der JGU mit. „Die Domänenwände lassen sich dadurch über eine relativ große Distanz synchron bewegen, ohne dass sie in ihre Ausgangsposition zurückfallen“. Dies ist für die dauerhafte Datenspeicherung unerlässlich. Denn würden die Domänenwände in ihre ursprüngliche Position zurücklaufen, käme es zum Datenverlust.

Die Forschungen erfolgten in Kooperation mit den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Stefan Eisebitt an der TU Berlin und von Prof. Dr. Gisela Schütz vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Sie wurden Ende März von Nature Communications publiziert.

Magnetische Nanodrähte weisen kleine Regionen mit einheitlicher Magnetisierung auf, sogenannte Domänen, die als Speichereinheiten (Bits) genutzt werden. Treffen Domänen mit unterschiedlicher Ausrichtung aufeinander, wird dieser Bereich als Domänenwand bezeichnet. Informationen können in den Domänen gespeichert und durch die Bewegung der Domänenwände gelesen und verarbeitet werden.

Die Methode hat den großen Vorteil, dass die Informationen – wie bei der magnetischen Datenspeicherung generell – nicht verloren gehen können, ganz im Gegensatz zu halbleiterbasierten Speichern wie z.B. Arbeitsspeicher im Computer, die Informationen ohne Strom schnell vergessen. Außerdem werden keine anfälligen beweglichen Komponenten, wie es beispielsweise der Lesekopf einer Festplatte ist, benötigt.

Bislang war es jedoch nicht gelungen, die erforderliche kontrollierte und synchrone Bewegung von mehreren Domänenwänden mit magnetischen Feldern zu erreichen. Der nächstliegende Lösungsansatz wäre ein magnetisches Feld in die Richtung anzulegen, in der die Magnetisierung in dem Nanodrähtchen verläuft. In der Praxis ist dies jedoch nicht geeignet, da es zu Datenverlust kommt.

Die Arbeitsgruppe um Mathias Kläui hat einen radikal neuen Ansatz verfolgt und war damit erfolgreich: Das magnetische Feld wird senkrecht zu den in einer Ebene magnetisierten Domänenwänden angelegt und es wird außerdem gepulst. Wie die Mainzer Wissenschaftler in ihrem Modellsystem festgestellt haben, führen asymmetrische Feldpulse dazu, dass die vorwärts- und rückwärtsgerichteten Kräfte, die auf die Domänenwände einwirken, maßgeschneidert werden können und somit können die Daten kontrolliert im Speicher verschoben werden.

Die beteiligten Physiker der Uni Mainz haben ihre Idee zunächst anhand von mikromagnetischen Simulationen untersucht und schließlich auch experimentell getestet. Hierzu haben sie die magnetische Anordnung in den Nanodrähtchen am Elektronenspeicherring BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin für Materialien und Energie (HZB) im Bild festgehalten.

Wie aufgrund der Simulation erwartet, konnte eine Verschiebung der Domänenwände beobachtet werden, wobei die Richtung der Verschiebung mit dem Modell übereinstimmte. Die Wissenschaftler haben außerdem die Energie berechnet, die für die experimentell beobachtete Domänenwand-Bewegung notwendig wäre, und sind zu dem Schluss gekommen, dass der Energieverbrauch des vorgeschlagenen Systems mit den besten derzeit verfügbaren Bauteilen durchaus wettbewerbsfähig wäre.

„Die Ergebnisse stimmen uns sehr optimistisch. Wir gehen davon aus, dass mit dem neuen Ansatz ein notwendiger Paradigmenwechsel ermöglicht wird, um eine effiziente und kontrollierte synchrone Bewegung der Domänenwände in Nanodrähten zu erreichen“, erwartet Mathias Kläui. Damit wäre der Weg frei für die Entwicklung von nicht-flüchtigen Spintronik-Bauteilen der nächsten Generation, die in einem breiten Spektrum von Datenspeichern, Logik- und Sensorbausteinen zur Anwendung kommen könnten. 

Veröffentlichung:
June-Seo Kim et al.
Synchronous precessional motion of multiple domain walls in a ferromagnetic nanowire by perpendicular field pulses
Nature Communications, 24. März 2014
DOI: 10.1038/ncomms4429

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Mathias Kläui
Kläui-Lab
Theorie der kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
D 55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23633
E-Mail: klaeui@uni-mainz.de
http://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/

Weitere Links:
http://www.nature.com/ncomms/2014/140324/ncomms4429/full/ncomms4429.html

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