Energieeffiziente IT: Neuer Schaltprozess in spintronischen Bauelementen beobachtet

Ein Forscherteam aus Berlin, Stuttgart und Mainz hat in einem ferromagnetischen Material einen neuartigen magnetischen Schaltprozess beobachtet, der sehr schnell abläuft und kaum Energieaufwand erfordert. Voraussetzung ist, dass das Material aus ringförmigen Nanostrukturen besteht. Solche Strukturen könnten ein Weg zu energiesparenden neuen Datenspeichern sein. Die Ergebnisse sind als "Highlight" in Physical Review Applied veröffentlicht.

Magnetische Datenspeicher basieren stets auf Bauelementen mit zwei stabilen magnetischen Zuständen, zwischen denen sich hin- und herschalten lässt. Gute Kandidaten für solche Bauelemente sind ringförmige Strukturen aus einem permanentmagnetischen Material mit winzigen Durchmessern von tausendstel Millimetern. Diese Nanoringe können im oder gegen den Uhrzeigersinn magnetisiert sein. Allerdings gelingt das Umschalten zwischen den beiden Zuständen bisher nur, wenn ein komplexes zirkular magnetisches Feld anliegt.

Nanoringe lassen sich leicht umschalten

Wie es leichter gehen könnte, hat nun ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus verschiedenen Forschungseinrichtungen in Deutschland gezeigt: Wird das Loch im Ring nicht mittig, sondern leicht asymmetrisch angeordnet, so dass der Ring an einer Seite dünner ist als an der anderen, dann wird das Umschalten ganz einfach!  Ein magnetisches Feld, das nur wenige Milliardstel Sekunden lang stabil sein muss, genügt, um die Magnetisierung vom Uhrzeigersinn in den Gegenuhrzeigersinn zu drehen.

Ein kurzzeitiges Magnetfeld reicht aus

An der Maxymus-Beamline von BESSY II konnte das Team mit Hilfe von zeitaufgelöster Röntgen-Mikroskopie beobachten, wie sich die Magnetisierung  entwickelt, nachdem der kurze Magnetfeldpuls angelegt wurde: So bilden sich durch den magnetischen Puls zunächst zwei Domänenwände im Ring aus. Sobald das äußere magnetische Feld abgeschaltet wird, bewegen sich die Domänenwände sehr schnell aufeinander zu und vernichten sich. Dadurch dreht sich die Magnetisierung vom Uhrzeigersinn in die Gegenrichtung um.

Schneller Prozess für Spintronik

“Unsere Messungen zeigen, dass sich die Domänenwände im Durchschnitt 60 Meter pro Sekunde bewegen. Dies ist sehr schnell für spintronische Anwendungen”, sagt Dr. Mohamad-Assaad Mawass, Erstautor der Publikation in Physical Review Applied. Mawass hat an diesen Experimenten bereits im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Johannes Gutenberg Universität Mainz (Gruppe von Prof. Kläui) gemeinsam mit der Gruppe um Gisela Schütz vom Max Planck Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart, gearbeitet. Nun konnte er diese Forschung als Postdoc an der X-PEEM-Beamline am HZB fortsetzen.  “Wir sind davon überzeugt, dass wir einen robusten, zuverlässigen Umschaltprozess  gefunden haben, der sich für Anwendungen in der Spintronik, zum Beispiel für die energieeffiziente Datenspeicherung eignet”, sagt Mawass.

Die Ergebnisse sind nun in Physical Review Applied veröffentlicht, die Arbeit wurde von den Herausgebern besonders hervorgehoben (Editors' Suggestion).

Zur Publikation in Physical Review Applied (2017): "Switching by domain wall automotion in asymmetric ferromagnetic rings”, Mohamad-Assaad Mawass, Kornel Richter, Andre Bisig, Robert M. Reeve, Benjamin Krüger, Markus Weigand, Andrea Krone, Hermann Stoll, Florian Kronast, Gisela Schütz, and Mathias Kläui

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.044009