Magnetisierung in kleinen Bauelementen kann jetzt auch im Labor gefilmt werden

Ein Ersatz der heutigen elektronischen Speichertechnologie beruht in Zukunft vielleicht auf der Nutzung kleinster magnetischer Strukturen. Einzelne magnetische Bereiche entsprechen dabei den Bits, die möglichst klein sein und schnell geschaltet werden müssen.

Um die grundlegenden physikalischen Effekte besser verstehen und die Bauteile optimieren zu können, bedient man sich verschiedener Verfahren, die die Magnetisierung bildlich darstellen können. An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) wurde jetzt eine Elektronenmikroskop-basierte Technik weiterentwickelt, sodass man nicht nur diese Bauteile statisch abbilden, sondern die schnellen Schaltvorgänge filmen kann. Zusätzlich wurde gezeigt, dass eine spezielle Signalverarbeitung das Bildrauschen unterdrückt.

„Wir verfügen damit über ein hervorragendes Verfahren, um die Magnetisierung in kleinen Bauelementen zu untersuchen“, teilte Daniel Schönke vom Institut für Physik der JGU mit. Die Arbeit wurde in Kooperation mit der Surface Concept GmbH realisiert und ist in der Zeitschrift Review of Scientific Instruments erschienen.

Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse ist ein laborbasiertes Abbildungsverfahren für magnetische Strukturen. Vorteilhaft ist die hohe räumliche Auflösung im Vergleich zu optischen Methoden. Nachteilig ist vor allem die lange Zeit für eine Bildaufnahme, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis zu bekommen.

Die Messzeit kann aber bei einem periodisch angeregten und sich dementsprechend periodisch verändernden magnetischen Signal mithilfe eines digitalen phasenempfindlichen Gleichrichters, der nur Signale der gleichen Frequenz wie die Anregung detektiert, verkürzt werden.

Grundlage für diese Signalverarbeitung ist eine zeitaufgelöste Messung. In der hier entwickelten Technik ist eine Zeitauflösung von weniger als 2 Nanosekunden möglich. Dies erlaubt die Untersuchung von schnellen magnetischen Schaltvorgängen. Dabei können sowohl Bilder über die gesamte Anregungsperiode hinweg aufgenommen als auch einzelne Bilder zu einem definierten Zeitpunkt innerhalb der Periode ausgewählt werden.

Verfahren ist mit aufwendigeren Abbildungstechniken konkurrenzfähig

Diese Weiterentwicklung macht das Verfahren konkurrenzfähig mit weitaus aufwendigeren Abbildungstechniken an großen Beschleunigeranlagen und ermöglicht es, die Magnetisierungsdynamik kleiner magnetischer Bauelemente im Labor zu erforschen.

Die Arbeit fand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs TRR173 „Spin+X – Spin in seiner kollektiven Umgebung“ statt. Hier beschäftigen sich Forscherteams aus Chemie, Physik sowie Maschinenbau und Verfahrenstechnik interdisziplinär mit magnetischen Effekten, die in die Anwendung überführt werden sollen. Im Fokus steht dabei der Spin.

In der Sprache der Physik beschreibt der Spin den quantenmechanischen Eigendrehimpuls eines Quantenteilchens, etwa eines Elektrons oder Protons. Er bildet die Grundlage für viele magnetische Phänomene.

Die Entwicklung der neuen Technik war nur durch eine gute und intensive Kooperation mit der Firma Surface Concept GmbH, ein Spin-Off der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, möglich.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_komet_sempa_system_bildgebung.jp…
Zeitaufgelöste Messung der Bewegung des Kerns eines magnetischen Wirbels unter dem Einfluss eines oszillierenden Magnetfeldes
Abb./©: Daniel Schönke

Weiterführende Links:
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/ – Kläui-Laboratory am Institut für Physik
https://www.iph.uni-mainz.de – Institut für Physik der JGU
https://www.uni-kl.de/trr173/home/ – SFB/Transregio 173 Spin+X

Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/4356_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Baukasten der Magnon-Logik erweitert: Magnon-Ströme über Spin-Ventil-Struktur steuerbar“ (14.03.2018)

Daniel Schönke
Physik der kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23620
Fax +49 6131 39-24076
E-Mail: dschoenk@uni-mainz.de

Prof. Dr. Mathias Kläui
Physik der kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23633
E-Mail: klaeui@uni-mainz.de
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/homepage-prof-dr-mathias-klaeui/

Daniel Schönke et al.
Development of a scanning electron microscopy with polarization analysis system for magnetic imaging with ns time resolution and phase-sensitive detection
Review of Scientific Instruments, 20. August 2018
DOI: 10.1063/1.5037528
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5037528