Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Datenspeicher der Zukunft: Extrem kleine magnetische Nanostrukturen mit Tarnkappen beobachtet

18.10.2018

Neuartige Konzepte der magnetischen Datenspeicherung zielen darauf, besonders kleine magnetische Bits in einem Speicherchip hin- und herzuschicken, dicht gepackt abzuspeichern und später wieder auszulesen. Das magnetische Streufeld verhinderte bisher die Herstellung besonders kleiner Bits. Jetzt ist es Forschern des Max-Born-Institutes (MBI), des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und DESY gelungen, den magnetischen Nanostrukturen eine „Tarnkappe“ aufzusetzen. Auf diese Weise lässt sich das magnetische Streufeld so reduzieren, dass die Bits gleichzeitig klein und dennoch sehr beweglich sein können. Die Forschungsergebnisse sind in „Nature Nanotechnology“ erschienen.

Für Physiker ist Magnetismus fundamental mit Drehbewegungen von Elektronen in Atomen verknüpft. Die Elektronen, die um einen Atomkern kreisen und sich auch um sich selbst drehen, erzeugen durch diese Bewegung das magnetische Moment des Atoms.


Das Skyrmion besteht aus einer besonderen Anordnung der magnetischen Momente benachbarter Atome (siehe ausführliche Bildunterschrift unter der Pressemitteilung)

L. Caretta, M. Huang, MIT

Das mit diesem magnetischen Moment verknüpfte magnetische Streufeld ist es, das wir alle von einem Stabmagneten kennen und nutzen, um Zettel an einer magnetischen Pinnwand zu befestigen. Ebenso wird das magnetische Streufeld genutzt, um magnetisch gespeicherte Information von einer Festplatte zu lesen. In heutigen Festplatten ist ein einzelnes magnetisches Bit nur etwa 15 x 45 Nanometer groß, etwa 1.000.000.000.000 von ihnen würden auf eine Briefmarke passen.

In neuartigen Konzepten magnetischer Datenspeicherung möchte man solche magnetischen Bits gerne durch Strompulse in einem Speicherchip hin- und herschicken, um sie an geeignetem Ort dicht gepackt zum Speichern abzulegen und später wieder auszulesen. Hier erweist sich nun das magnetische Streufeld als Fluch: Es verhindert, dass die magnetischen Strukturen noch kleiner gemacht und damit Informationen dichter gepackt werden können. Andererseits wird das dem Streufeld zugrunde liegende magnetische Moment gebraucht, um die Strukturen überhaupt bewegen zu können.

Den Forschern ist es nun gelungen, kleinen magnetischen Nanostrukturen eine „Tarnkappe“ aufzusetzen und zu beobachten, wie klein und schnell solche getarnten Bits sein können. Dazu wurden Atomsorten mit entgegengesetztem Drehsinn der Elektronen und damit entgegengesetztem magnetischem Moment kombiniert. Auf diese Weise lässt sich das magnetische Streufeld reduzieren oder sogar völlig abschalten - die einzelnen Atome in der Nanostruktur haben dabei aber immer noch ein magnetisches Moment, sie tragen quasi nur eine Tarnkappe.

Dennoch war es den Forschen möglich, die kleinen Strukturen abzubilden. Sie bedienten sich dabei der Methode der Röntgenholografie, die es erlaubt, gezielt nur die magnetischen Momente einer einzigen Atomsorte sichtbar zu machen - so konnten die Strukturen ohne ihre Tarnkappe abgebildet werden.

Dabei zeigte sich, dass durch geschicktes Einstellen der Stärke der Tarnkappe zwei Dinge erreicht werden können, die für mögliche Anwendungen als Datenspeicher wichtig sind. „In unseren Bildern können wir sehr kleine, runde magnetische Strukturen erkennen“, erklärt Dr. Bastian Pfau vom MBI. „Die kleinsten Durchmesser, die wir gefunden haben, betragen nur 10 Nanometer“.

Könnten diese Strukturen zur Datenspeicherung genutzt werden, ließe sich daher die Speicherdichte gegenüber heutigen Festplatten noch einmal deutlich erhöhen. In weiteren Messungen am MIT fanden die Forscher zudem heraus, dass sich getarnte Nanomagnete durch Strompulse besonders schnell bewegen lassen - eine wichtige Eigenschaft für eine mögliche Anwendung. So wurden Geschwindigkeiten von über einem Kilometer pro Sekunde erreicht.

„Dass dies möglich ist, ist eine Konsequenz der Quantenphysik“, erklärt Prof. Stefan Eisebitt vom MBI. „Der Beitrag der Drehbewegung eines Elektrons um den Atomkern zum magnetischen Moment ist nur halb so groß wie der Beitrag, den die Drehung des Elektrons um sich selbst liefert.“ Kombiniert man verschiedene Atomsorten mit unterschiedlichem Drehsinn der Elektronen in einem Festkörper, so kann man die Gesamtdrehung - die Physiker sprechen vom sogenannten Drehimpuls des Systems - daher auslöschen und dennoch ein kleines magnetisches Moment beibehalten.

Da der Drehimpuls zu einer Abbremsung der Bewegung der magnetischen Strukturen durch Strompulse führt, lassen sich mit diesem Ansatz hohe Geschwindigkeiten erzielen. Gelingt es also, die Tarnkappe genau zu justieren, dann können die entstehenden magnetischen Nanostrukturen sowohl sehr klein sein als auch schnell bewegt werden - eine interessante Aussicht für neuartige Speichertechnologien auf der Basis magnetischer Nanostrukturen.

Bildunterschrift:
Ein magnetisches Skyrmion könnte zukünftig als ein magnetisches Bit in der Datenspeicherung für eine „1“ stehen. Das Skyrmion besteht aus einer besonderen Anordnung der magnetischen Momente benachbarter Atome, in den Bildern durch Pfeile repräsentiert. Besitzt das Skyrmion eine „Tarnkappe“, weil benachbarte magnetische Momente nahezu entgegengesetzt sind und das magnetische Streufeld verringern, so lassen sich kleinere Skyrmionen stabilisieren, so wie in der Abb. rechts gezeigt. Physiker sprechen von „antiferromagnetischer“ (AFM) statt „ferromagnetischer“ (FM) Ordnung von Momenten an benachbarten Atomen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
Prof. Dr. Stefan Eisebitt
E-Mail eisebitt@mbi-berlin.de
Tel. +49 (0)30 / 6392-1300

Dr. Bastian Pfau
E-Mail bastian.pfau@mbi-berlin.de
Tel. +49 (0)30 / 6392-1343

Originalpublikation:

Lucas Caretta, Maxwell Mann, Felix Büttner, Kohei Ueda, Bastian Pfau, Christian M. Günther, Piet Hessing, Alexandra Churikova, Christopher Klose, Michael Schneider, Dieter Engel, Colin Marcus, David Bono, Kai Bagschik, Stefan Eisebitt and Geoffrey S. D. Beach
“Fast current-driven domain walls and small skyrmions in a compensated ferrimagnet”
Nature Nanotechnology, published online: 17 September 2018, https://doi.org/10.1038/s41565-018-0255-3

Weitere Informationen:

https://doi.org/10.1038/s41565-018-0255-3

Dipl.-Geogr. Anja Wirsing | Forschungsverbund Berlin e.V.
Weitere Informationen:
http://www.fv-berlin.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rasende Elektronen unter Kontrolle
16.11.2018 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Kometen als Wasserträger für Exoplaneten
15.11.2018 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Rasende Elektronen unter Kontrolle

Die Elektronik zukünftig über Lichtwellen kontrollieren statt Spannungssignalen: Das ist das Ziel von Physikern weltweit. Der Vorteil: Elektromagnetische Wellen des Licht schwingen mit Petahertz-Frequenz. Damit könnten zukünftige Computer eine Million Mal schneller sein als die heutige Generation. Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sind diesem Ziel nun einen Schritt nähergekommen: Ihnen ist es gelungen, Elektronen in Graphen mit ultrakurzen Laserpulsen präzise zu steuern.

Eine Stromregelung in der Elektronik, die millionenfach schneller ist als heutzutage: Davon träumen viele. Schließlich ist die Stromregelung eine der...

Im Focus: UNH scientists help provide first-ever views of elusive energy explosion

Researchers at the University of New Hampshire have captured a difficult-to-view singular event involving "magnetic reconnection"--the process by which sparse particles and energy around Earth collide producing a quick but mighty explosion--in the Earth's magnetotail, the magnetic environment that trails behind the planet.

Magnetic reconnection has remained a bit of a mystery to scientists. They know it exists and have documented the effects that the energy explosions can...

Im Focus: Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft

Der sechs Lichtjahre entfernte Barnards Stern beherbergt einen Exoplaneten

Einer internationalen Gruppe von Astronomen unter Beteiligung des Max-Planck-Instituts für Astronomie in Heidelberg ist es gelungen, beim nur sechs Lichtjahre...

Im Focus: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Kalikokrebse: Erste Fachtagung zu hochinvasiver Tierart

16.11.2018 | Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

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

Mikroplastik in Kosmetik

16.11.2018 | Studien Analysen

Neue Materialien – Wie Polymerpelze selbstorganisiert wachsen

16.11.2018 | Materialwissenschaften

Anomale Kristalle: ein Schlüssel zu atomaren Strukturen von Schmelzen im Erdinneren

16.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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