Erstmals ist es gelungen, die Ausrichtung von Magnetwirbeln in Nano-Scheiben elektrisch auszulesen. Ein Wissenschaftler-Team nutzte dazu charakteristische Mikrowellen, die von den Wirbeln ausgehen. Mit dem neuen Wissen über diese Signale könnten die extrem kleinen Bauteile für neuartige Speicher und drahtlose Datenübertragung eingesetzt werden.

Vier Beispiele der untersuchten Doppelwirbel-Zustände mit entgegengesetzten Drehrichtungen der Wirbel. Der Kern mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern hat einen überraschend großen Einfluss auf die Dynamik der Magnetisierung, wenn ein Strom durch die Doppelwirbel-Türmchen fließt. (Bild: HZDR/Forschungszentrum Jülich)Die Ergebnisse über die Ausrichtung von Magnetwirbeln in Nano-Scheiben der Untersuchungen wurden kürzlich in der Fachzeitschrift »Nature Communications« (DOI: 10.1038/ncomms7409) veröffentlicht. Das Forscherteam setzte sich zusammen aus Wissenschaftlern des Forschungszentrum Jülich, des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und des französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Straßburg.

Die innere Spin-Anordnung von magnetischen Nano-Scheiben steht schon seit einigen Jahren im Zentrum der wissenschaftlichen Aufmerksamkeit. Ein Spin ist die Drehbewegung von geladenen Teilchen, die unter anderem dafür sorgt, dass zum Beispiel Eisen magnetisch ist. Dort nämlich sind die Spins aller Elektronen parallel zueinander ausgerichtet.

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Pro Wirbel könnte man zwei Bit an Informationen speichern

Bei sehr dünnen und kleinen Schichten, den Nano-Scheiben, kann es jedoch auch zu einer wirbelförmigen Anordnung kommen. Seit Forscher von dieser komplexeren Struktur wissen, versuchen sie, diese Eigenschaften für äußerst platz- und energiesparende Datenspeicher zu nutzen. Die könnten zum Beispiel in Smartphones und Laptops zum Einsatz kommen, wenn es gelingt, gespeicherte Informationen abzurufen.

In Nano-Scheiben sind die Spins – und damit das magnetische Moment der Elektronen – so angeordnet, als hätte man gewöhnliche Stabmagnete in einem Kreis aneinandergereiht. Im Kern der Scheibe funktioniert diese Ordnung jedoch nicht mehr, weshalb sich die Magnete aus der Ebene heraus nach oben oder unten ausrichten.

»Über diese beiden Eigenschaften, die Drehrichtung in der Ebene und die magnetische Orientierung im Kern, lassen sich Informationen speichern«, erklärt Dr. Attila Kákay, der vor kurzem vom Forschungszentrum Jülich nach Dresden wechselte. »Damit können wir pro Wirbel bereits zwei Bit an Informationen speichern. Werden zwei dieser Wirbelmagnete übereinander gestapelt, sind es bereits vier Bit, also ein System mit 16 verschiedenen Zuständen.«

Spezifische Frequenzen der Mikrowellen helfen weiter

Ein solches Doppelwirbel-Türmchen ist dann gerade mal 50 Nanometer hoch, und hat einen Durchmesser von nur 150 Nanometern – fast tausend Mal dünner als ein menschliches Haar. Doch während die Drehrichtung der Wirbel und die Kernorientierung noch recht einfach durch Ströme und Magnetfelder beeinflusst werden können, war die geringe Größe der Nano-Scheiben beim Auslesen der Informationen bislang ein Hindernis.

»Die magnetische Orientierung im Kern, die sogenannte Polarität, konnte nicht verlässlich gelesen werden, weil der Kern einfach zu winzig ist«, erläutert Dr. Kákay. Bei Experimenten in Jülich fanden die Forscher dafür jedoch eine Lösung: Mikrowellen. Diese elektrischen Wechselspannungssignale erzeugt ein Doppelwirbel bei angelegtem Gleichstrom. Die spezifischen Frequenzen der Mikrowellen nutzen die Physiker nun, um die Polarität und die Drehrichtung der Wirbel zu bestimmen.

Erste Nano-Bauteile entworfen

»Das Prinzip ähnelt dem einer Blockflöte: Auch bei dem Musikinstrument korrespondiert jeder Griff auf die Tonlöcher eindeutig mit einer ganz bestimmten Tonlage, also Schwingungsfrequenz«, erklärt Dr. Alina Deac, Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppe für Spinelektronik am HZDR.

Mit dem neuen Prinzip haben die Wissenschaftler aus Dresden, Jülich und Strasbourg Nano-Bauteile entworfen, die nicht nur Informationen mit Hilfe der Magnetwirbel speichern, sondern auch zuverlässig elektrisch ausgelesen werden können. In Zukunft könnten damit weitaus mehr Daten auf immer kleineren Speicherbausteinen untergebracht werden und in moderner Elektrotechnik zur Anwendung kommen. Zudem kann die Frequenz der Wechselspannung bis in den Gigahertz-Bereich reichen, was die ultraschnelle, drahtlose Übertragung von Informationen möglich macht, zum Beispiel beim Mobilfunk oder im WLAN.