Energieeffiziente IT: Neuer Schaltprozess in spintronischen Bauelementen beobachtet
Ein magnetisches Feld wird kurz angelegt und erzeugt zwei Domänenwände, die sich nach Abschalten des äußeren Felds aufeinander zu bewegen und vernichten. Nach 58 Nanosekunden ist die Magnetisierung im Nanoring umgedreht. © HZB
Klicken Sie auf diesen Link, um die Bewegung der beiden Domänenwände im Video zu sehen. © HZB
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
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.