Skyrmionen - Magnetische Wirbel für neue Datenspeicher

Winzige magnetische Strukturen lassen sich in dünnen Schichten bei Raumtemperatur stabilisieren
 Skyrmionen (rechts) bilden sich, nachdem sie einen Engpass in magnetischen Schichten passiert haben. Die Magnetwirbel bleiben bei Raumtemperatur stundenlang stabilisiert.
Skyrmionen (rechts) bilden sich, nachdem sie einen Engpass in magnetischen Schichten passiert haben. Die Magnetwirbel bleiben bei Raumtemperatur stundenlang stabilisiert.
© Wanjun Jiang et al.; ANL
Lemont (USA) - Je kleiner magnetische Einheiten in einem Festkörper sind, desto mehr Daten lassen sich auf engstem Raum bannen. So ausgereift heute magnetische Datenspeicher sein mögen, suchen Physiker für dieses Ziel nach immer neuen Effekten. Skyrmionen – winzige magnetische Wirbelknoten – gelten seit wenigen Jahren als viel versprechende Kandidaten. Nun gelang es einer amerikanischen Forschergruppe, diese Skyrmionen bei Raumtemperatur zu erzeugen und über viele Stunden zu stabilisieren. Ihre Ergebnisse, die die Basis für einen Skyrmionen-Speicher legen könnten, präsentieren sie in einer Vorabveröffentlichung der Fachzeitschrift „Science“.

„Magnetische Skyrmionen können mit nur wenigen Nanometern winzig sein und lassen sich mit sehr kleinen elektrischen Strömen bewegen“, sagt der deutsche Materialforscher Axel Hoffmann, der eine Arbeitsgruppe am Argonne National Laboratory in Lemont bei Chicago leitet. Mit seinen Kollegen entwarf er eine spezielle Nanostruktur, um bei Raumtemperatur die begehrten Skyrmionen zu erzeugen. Diese bestand aus drei extrem dünnen Schichten aus Tantal, Tantaloxid und einer magnetisierbaren Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor. Mit photolithografischen Verfahren formten sie in diese Schichten mikroskopisch kleine Streifen, die an einer Stelle deutlich verengt wurden.

Diese Schichtstruktur setzten Hoffmann und Kollegen einem senkrecht wirkenden Magnetfeld von einem halben Tesla Stärke aus. Schickten sie dazu kurze Strompulse hindurch, entstanden zuerst längliche magnetisierte Bereiche, die sich mit der Stromrichtung bewegen ließen. Passierten diese Bereiche den Engpass der Schichtstruktur, formten sich die Skyrmionen aus. Die magnetischen Wirbel erreichten dabei Durchmesser von einem bis zwei millionstel Metern und blieben selbst bei Raumtemperatur mindestens acht Stunden stabil.

Dank dieser Langlebigkeit könnten Skyrmionen als neuartige, magnetische Speichereinheiten genutzt werden. Schon vor zwei Jahren wiesen Physiker aus Köln und Hamburg nach, dass die magnetischen Wirbel prinzipiell dazu geeignet sind. Sie konnten damals Skyrmionen mit der atomfeinen Spitze eines Rasterelektronenmikroskops gezielt erzeugen und wieder vernichten. Allerdings liefen diese Pilotversuche noch bei minus 265 Grad Celsius ab. Mit der nun erreichten Stabilität der Skyrmionen bei Raumtemperatur konnte auch eine große Hürde auf dem langen Weg zu einer Anwendung überwunden werden.

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