Chromiodid-Schichten für die Festplatten der Zukunft

Magnetischer Zustand lässt sich allein durch kleine, elektrische Felder schalten
Eine Chromiodid-Doppelschicht wandelt sich in einem elektrischen Feld von einem Antiferromagneten (oben) in einen Ferromagneten (unten.)
Eine Chromiodid-Doppelschicht wandelt sich in einem elektrischen Feld von einem Antiferromagneten (oben) in einen Ferromagneten (unten.)
© Kin Fai Mak et al., Cornell University
Ithaka (USA) - Rotierende Scheiben in modernen Festplatten können mittlerweile gut ein Dutzend Terabyte speichern. Mit einem winzigen Elektromagneten an der Spitze des Schreib- und Lesekopfes wird die Magnetisierung des kleiner Speicherareale geschaltet. Auf der Suche nach neuen Materialien für zukünftige Datenspeicher wurden nun amerikanische Physiker mit der Verbindung Chromiodid fündig. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ berichten, konnten sie die Magnetisierung atomar dünner, zweidimensionaler Chromiodid-Schichten allein mit elektrischen Feldern kontrollieren. Bisher mussten die Schichten dazu allerdings auf mindestens minus 223 Grad Celsius abgekühlt werden.

„Normalerweise zeigt ein Magnet auf eine elektrische Spannung kaum eine Reaktion“, sagt Kin Fai Mak von der Cornell University in Ithaka. Chromiodid jedoch offenbarte genau dieses Verhalten, wenn es in exakt zwei atomar dünnen Schichten angeordnet wurde. Mak schälte dazu gemeinsam mit seinen Kollegen eine Doppelschicht Chromiodid von einem größeren Festkörper ab. Diese Doppelschicht umhüllte er mit nur eine Atomlage dünnen und teils elektrisch leitfähigen Schichten aus Bornitrid und Graphen. So entstand ein etwa 40 Nanometer dünnes Sandwich, dessen magnetischen und elektrischen Eigenschaften sich mit einem ausgeklügelten Spektroskopieverfahren genauer untersuchen ließen.

Dank eines magnetoelektrischen Effekts konnte das magnetische Moment eines jeden Chrom-Atoms im Chromiodid-Kristall gezielt über kleine elektrische Felder von weniger als einem Volt pro Nanometer ausgerichtet werden. Ohne Schaltspannung wiesen die magnetischen Momente jeweils paarweise genau in die entgegengesetze Richtung und hoben sich so gegenseitig auf. In dieser Phase war die Chromiodid-Doppelschicht antiferromagnetisch. Doch wirkte ein elektrisches Feld auf die dünne, kristalline Struktur, zeigten alle magnetischen Momente in die gleiche Richtung; das Material wechselte in einen ferromagnetischen Zustand.

Dieser Wechsel zwischen antiferromagnetisch und ferromagnetisch lässt sich prinzipiell zum Speichern von digitalen Daten nutzen. Dieses Kunststück beherrschte allerdings nur eine Chromiodid-Doppelschicht. Sowohl dickere als auch dünnere Schichten zeigten diesen nützlichen Wechsel der magnetischen Eigenschaften nicht. Eine elektrisch schaltbare Chromiodid-Festplatte, die mit deutlich weniger Material auskäme als heutige Festplatten, wird trotzdem nicht so bald kommen. Denn bisher konnten die Forscher diesen magnetoelektrischen Effekt nur bei tiefkalten Temperaturen zwischen -269 und -223 Grad Celsius nachweisen. „Derzeit arbeiten wir an verschiedenen Methoden und einem neuen Materialdesign für Doppelschichten, um die Arbeitstemperatur weiter zu steigern“, sagt Mak. „Und das hoffentlich bis zur Raumtemperatur.“

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