Stabilität skyrmionischer Bits
Skyrmionen gelten gegenwärtig als heiße Kandidaten für Informationsbits in zukünftigen digitalen magnetischen Speichermedien. Sie besitzen sehr viel versprechende Eigenschaften und können wenige Nanometer groß sein. Wissenschaftler der Universität Hamburg haben nun die Lebensdauern von solchen Strukturen eingehend untersucht um die Stabilitätsmechanismen zu ergründen und für potentielle Datenspeicher maßschneidern zu können.
Ein zentraler Aspekt unserer digitalisierten Welt ist die Speicherung von einer immensen Menge an Daten. Es gibt aktuell verschiedene Methoden dieses zu bewerkstelligen, wobei eine davon auf der Verwendung von so genannten kollinearen magnetischen Zellen basiert. In diesen Zellen sind alle atomaren Magnete gleich ausgerichtet und können prinzipiell in zwei verschiedene Richtungen zeigen. Eine solche Zelle kann damit zwei verschiedene Zustände haben und bildet auf diese Weise ein Informationsbit, welches der elementare Baustein eines jeden digitalen Speichermediums ist. In einem magnetischen Datenspeicher wie zum Beispiel der herkömmlichen Festplatte werden viele dieser Zellen auf einer magnetischen Scheibe aneinander gereiht.
Um in der Zukunft das Bedürfnis nach Speichermedien mit noch größeren Kapazitäten befriedigen zu können, müssen die Speicherzellen weiter miniaturisiert werden. Mit den herkömmlichen magnetischen Speichermedien ist dies nur noch begrenzt möglich, da es eine minimal mögliche Größe gibt, die durch das sogenannte paramagnetische Limit gegeben ist. Dieses liegt daran, dass die Zellen unterhalb dieser Größe thermisch instabil werden und spontan ihren Zustand ändern, wodurch die Information verloren gehen würde.
Es bedarf daher neuer Wege um die Miniaturisierung voran zu bringen. In diesem Zusammenhang hat in den letzten Jahren insbesondere die experimentelle Entdeckung einer nichtkollinearen Struktur, das magnetische Skyrmion, von sich reden gemacht. Im Skyrmion sind die atomaren Magnete nicht gleich ausgerichtet, sondern bilden einen magnetischen Wirbel bzw. anschaulich gesprochen einen Knoten. Diese Skyrmion-Knoten haben sehr viel versprechende Eigenschaften für neuartige Speichermedien, in denen man zwischen der Skyrmionstruktur („1“) und einer kollinearen ferromagnetischen Struktur („0“), in der alle atomaren Momente gleich ausgerichtet sind, schalten würde.
Wie das Online-Fachjournal „Nature Communication“ am 14. Oktober 2015 berichtete, wurde von Wissenschaftlern der Universität Hamburg die Stabilität einzelner Skyrmionen als Funktion der Temperatur und eines stabilisierenden äußeren Magnetfeldes erforscht. Durch das Justieren der Magnetfeldstärke kann die Lebensdauer der Skyrmionstruktur gezielt beeinflusst werden. Es stellte sich bei den Untersuchungen heraus, dass sich die beiden Zustände „0“ (Ferromagnet) und „1“ (Skyrmion) hinsichtlich ihrer Stabilitätseigenschaften sehr unterschiedlich verhalten.
„Man kann sich zur Veranschaulichung einen Hund vorstellen, der zwischen den zwei Tälern „Ferromagnet“ und „Skyrmion“ hin und her läuft, wobei er jedes Mal einen Berg überwinden muss. Das Tal „Ferromagnet“ liegt niedriger als das Tal „Skyrmion“ und der Hund ist hier ausgeruht und bewegungsfreudig. Im höher gelegenen Tal „Skyrmion“ ist der Hund dagegen erschöpft und macht sich nur ungern wieder auf zurück in das Tal „Ferromagnet“." erklärt Julian Hagemeister, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Roland Wiesendanger.
"Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass solche Skyrmion-Knoten von einer ferromagnetischen Oberfläche nur schwierig entfernt werden können und gerade diese Eigenschaft macht die Skyrmionen so wertvoll für die Anwendung in zukünftigen Speichermedien." erläutert Dr. Elena Vedmedenko.
Die in Hamburg gewonnenen Erkenntnisse werden möglicherweise in der Zukunft dazu beitragen können, die Lebensdauer und Schalteigenschaften von Skyrmionen in geeigneten Materialien präzise zu kontrollieren, was die Entwicklung völlig neuartiger Datenspeicher mit gigantischer Speicherkapazität ermöglichen könnte.
Abb.: Die Konfigurationen eines magnetischen Skyrmions auf der linken Seite und eines Ferromagneten auf der rechten Seite. Die Kegel geben die Ausrichtung der lokalisierten atomaren Magnete an. Das Skyrmion besteht aus einer geringen Anzahl an Atomen und besitzt damit einen Durchmesser von nur wenigen Nanometern. Forscher der Universität Hamburg haben das spontane Schalten zwischen den beiden Zuständen, welche als Informationsbits in zukünftigen Speichermedien dienen könnten, untersucht.
(Bild: J. Hagemeister, Universität Hamburg)
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Heiko Fuchs
Sonderforschungsbereich 668
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E-Mail: hfuchs@physnet.uni-hamburg.de
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