Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Schnelles magnetisches Schreiben von Daten

07.09.2017

Magnetische Datenspeicher galten bislang als zu langsam für die Herstellung von Computer-Arbeitsspeichern. ETH-Forscher haben nun ein Verfahren untersucht, mit dem das magnetische Schreiben von Daten deutlich schneller und energiesparender möglich ist.

Seit fast siebzig Jahren werden Magnetbänder und Festplatten in Computern zur Datenspeicherung verwendet. Trotz vieler neuer Technologien, die in der Zwischenzeit entwickelt wurden, bleibt die kontrollierte Magnetisierung eines Datenträgers aufgrund ihrer Langzeitbeständigkeit und geringen Kosten das Mittel der Wahl für die Archivierung von Informationen.


IBM führte mit dem RAMAC 1956 die erste magnetische Festplatte ein. ETH-Forscher haben nun ein neues magnetisches Schreibverfahren getestet, das demnächst auch in den Arbeitsspeichern moderner Computer eingesetzt werden könnte. (Bild: IBM)

Zur Realisierung eines Random Access Memory (RAM) dagegen, wie Computer sie als Arbeitsspeicher zur Verarbeitung von Daten benutzen, galt die Magnettechnologie bislang allerdings als ungeeignet. Das liegt vor allem an ihrer geringen Schreibgeschwindigkeit und dem vergleichsweise hohen Energieverbrauch.

Pietro Gambardella, Professor am Department Materialwissenschaft der ETH Zürich, und seine Mitarbeiter haben nun gemeinsam mit Kollegen am Department Physik sowie am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen gezeigt, dass magnetische Speicherung mit Hilfe eines neuen Verfahrens trotzdem blitzschnell und energiesparend erfolgen kann.

Magnetisierungs-Umkehr ohne Spulen

In traditionellen Magnetspeicher-Technologien werden mit einer Kobaltlegierung beschichtete Band- oder Platten-Datenträger verwendet. Mittels einer stromdurchflossenen Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, das jeweils in einem kleinen Bereich des Datenträgers die Magnetisierungsrichtung ändert.

Der Vorgang ist gemessen an den Geschwindigkeiten moderner Prozessoren sehr langsam, und zudem kommt es durch den elektrischen Widerstand der Spulen zu Energieverlusten. Viel besser wäre es daher, die Magnetisierungsrichtung ohne den Umweg über eine Magnetspule zu ändern.

Bereits 2011 demonstrierten Gambardella und seine Kollegen ein Verfahren, das genau dies schaffte: Elektrischer Strom, der durch einen speziell beschichteten Halbleiterfilm floss, kehrte die Magnetisierung in einem winzigen Metallpunkt um. Dies wird durch einen physikalischen Effekt ermöglicht, der als Spin-Bahn-Drehmoment bezeichnet wird.

Dabei führt das Fliessen eines elektrischen Stroms in einem Leiter zu einer Anhäufung von Elektronen mit entgegengesetzten magnetischen Momenten (Spin) an den beiden Enden des Leiters. Die Spins der Elektronen wiederum schaffen ein Magnetfeld, das zur Ausrichtung der magnetischen Momente der Atome eines in unmittelbarer Nähe befindlichen magnetischen Materials führt. Nun haben die Wissenschaftler in einer neuen Arbeit untersucht, wie dieser Vorgang im Detail funktioniert und wie schnell er ist. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Räumliche Auflösung mit Röntgenstrahlen

In ihrem Experiment kehrten die Forschenden die Magnetisierung eines Kobalt-Punktes von nur 500 Nanometern Durchmesser mit elektrischen Strompulsen um, die durch einen benachbarten Platindraht flossen. Währenddessen setzten sie den Kobalt-Punkt stark gebündelten Röntgenstrahlen aus, die in der Synchrotron-Lichtquelle Schweiz am PSI erzeugt wurden und die den Punkt nach und nach mit einer räumlichen Auflösung von 25 Nanometern abtasteten. Wie stark der Punkt die Röntgenstrahlen an einer bestimmten Stelle absorbierte, hing davon ab, in welche Richtung das Metall dort magnetisiert war.

«Auf diese Weise erhielten wir ein zweidimensionales Bild der Magnetisierung des Kobalt-Punktes und konnten zusehen, wie der Strompuls diese allmählich veränderte», erklärt Manuel Baumgartner, Erstautor der Studie und Doktorand in Gambardellas Forschungsgruppe.

Die Forscher konnten so feststellen, dass die Umkehrung der Magnetisierung in weniger als einer Nanosekunde erfolgte – deutlich schneller als in anderen in jüngster Zeit erforschten Verfahren. «Zudem können wir aufgrund der Parameter des Experiments vorhersagen, wann und wo die Magnetisierungs-Umkehrung beginnt und wo sie endet», fügt Gambardella hinzu. In anderen Verfahren wird die Umkehrung zwar ebenfalls durch elektrischen Strom angetrieben, ausgelöst aber wird sie durch thermische Fluktuationen im Material, wodurch der Zeitpunkt der Umkehrung starken Schwankungen unterliegt.

Mögliche Anwendungen in RAM

Bis zu einer Billion Umkehr-Pulse schickten die Forscher mit einer Frequenz von 20 Megahertz durch den Kobalt-Punkt, ohne dass die Qualität der Magnetisierungs-Umkehrung darunter litt. «Das lässt uns hoffen, dass unsere Technologie für Anwendungen in magnetischen RAM geeignet ist», sagt Gambardellas ehemaliger Postdoktorand Kevin Garello, ebenfalls Erstautor der Studie. Garello arbeitet mittlerweile am Forschungszentrum Imec in Löwen, Belgien, an der kommerziellen Umsetzung des Verfahrens.

Als ersten Schritt in diese Richtung wollen die Forscher ihre Materialen so optimieren, dass die Umkehrung noch schneller und mit geringeren Stromstärken funktioniert. Unter anderem soll dies durch eine verbesserte Form der Kobalt-Punkte erreicht werden.

Im Moment sind diese rund, doch andere Formen wie Ellipsen oder Rauten könnten die Magnetisierungs-Umkehrung noch effizienter machen, wie die Wissenschaftler sagen. Mit magnetischen RAM würde unter anderem das Laden des Betriebssystems beim Hochfahren eines Computers überflüssig – die entsprechenden Programme blieben dann auch ohne Stromzufuhr im Arbeitsspeicher erhalten.

Literaturhinweis

Baumgartner M et al.: Spatially and time-resolved magnetization dynamics driven by spin–orbit torques, Nature Nanotechnology, 21. August 2017, doi: 10.1038/nnano.2017.151 [http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2017.151]

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/content/main/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2017/...

Hochschulkommunikation | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht IT-Sicherheit beim autonomen Fahren
22.06.2018 | Fachhochschule St. Pölten

nachricht Schneller und sicherer Fliegen
21.06.2018 | Fachhochschule St. Pölten

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

Noch mehr Reichweite oder noch mehr Nutzlast - das wünschen sich Fluggesellschaften für ihre Flugzeuge. Wegen ihrer hohen spezifischen Steifigkeiten und Festigkeiten kommen daher zunehmend leichte Faser-Kunststoff-Verbunde zum Einsatz. Bei Rümpfen oder Tragflächen sind permanent Innovationen in diese Richtung zu beobachten. Um dieses Innovationsfeld auch für Flugzeugräder zu erschließen, hat das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF jetzt ein neues EU-Forschungsvorhaben gestartet. Ziel ist die Entwicklung eines ersten CFK-Bugrads für einen Airbus A320. Dabei wollen die Forscher ein Leichtbaupotential von bis zu 40 Prozent aufzeigen.

Faser-Kunststoff-Verbunde sind in der Luftfahrt bei zahlreichen Bauteilen bereits das Material der Wahl. So liegt beim Airbus A380 der Anteil an...

Im Focus: IT-Sicherheit beim autonomen Fahren

FH St. Pölten entwickelt neue Methode für sicheren Informationsaustausch zwischen Fahrzeugen mittels Funkdaten

Neue technische Errungenschaften wie das Internet der Dinge oder die direkte drahtlose Kommunikation zwischen Objekten erhöhen den Bedarf an effizienter...

Im Focus: Innovative Handprothesensteuerung besteht Alltagstest

Selbstlernende Steuerung für Handprothesen entwickelt. Neues Verfahren lässt Patienten natürlichere Bewegungen gleichzeitig in zwei Achsen durchführen. Forscher der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) veröffentlichen Studie im Wissenschaftsmagazin „Science Robotics“ vom 20. Juni 2018.

Motorisierte Handprothesen sind mittlerweile Stand der Technik bei der Versorgung von Amputationen an der oberen Extremität. Bislang erlauben sie allerdings...

Im Focus: Temperaturgesteuerte Faser-Lichtquelle mit flüssigem Kern

Die moderne medizinische Bildgebung und neue spektroskopische Verfahren benötigen faserbasierte Lichtquellen, die breitbandiges Laserlicht im nahen und mittleren Infrarotbereich erzeugen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien Jena (Leibniz-IPHT) zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung im renommierten Fachblatt Optica, dass sie die optischen Eigenschaften flüssigkeitsgefüllter Fasern und damit die Bandbreite des Laserlichts gezielt über die Umgebungstemperatur steuern können.

Das Besondere an den untersuchten Fasern ist ihr Kern. Er ist mit Kohlenstoffdisulfid gefüllt - einer flüssigen chemischen Verbindung mit hoher optischer...

Im Focus: Temperature-controlled fiber-optic light source with liquid core

In a recent publication in the renowned journal Optica, scientists of Leibniz-Institute of Photonic Technology (Leibniz IPHT) in Jena showed that they can accurately control the optical properties of liquid-core fiber lasers and therefore their spectral band width by temperature and pressure tuning.

Already last year, the researchers provided experimental proof of a new dynamic of hybrid solitons– temporally and spectrally stationary light waves resulting...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leben im Plastikzeitalter: Wie ist ein nachhaltiger Umgang mit Plastik möglich?

21.06.2018 | Veranstaltungen

Kongress BIO-raffiniert X – Neue Wege in der Nutzung biogener Rohstoffe?

21.06.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen im August 2018

20.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Leichter abheben: Fraunhofer LBF entwickelt Flugzeugrad aus Faser-Kunststoff-Verbund

22.06.2018 | Materialwissenschaften

Lernen und gleichzeitig Gutes tun? Baufritz macht‘s möglich!

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

GFOS und skip Institut entwickeln gemeinsam Prototyp für Augmented Reality App für die Produktion

22.06.2018 | Unternehmensmeldung

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics