Multiferroisch bei Raumtemperatur Für energiesparende Datenspeicher der Zukunft

Wie lassen sich riesige Datenmengen mit möglichst wenig Energieaufwand speichern?
Wie lassen sich riesige Datenmengen mit möglichst wenig Energieaufwand speichern?

Forscher am Paul-Scherrer-Institut (PSI) haben ein neues Material entwickelt, das großes Potenzial für künftige Speichermedien aufweist. Es handelt es sich um ein magnetoelektrisches multiferroisches Material.

Seine Besonderheit besteht darin, dass es seine magnetischen Eigenschaften auch bei Raumtemperatur behält und sich damit für den Einsatz im Alltag eignet. Denn bislang konnten fast ausschließlich Materialien geschaffen werden, die sich bei sehr tiefen Temperaturen von typischerweise -200 °C multiferroisch verhalten.

Magnetoelektrische multiferroische Materialien sind sehr selten. In ihnen sind die magnetischen und elektrischen Eigenschaften aneinander gekoppelt. Die magnetischen Eigenschaften des Material lassen sich durch Anlegen eines elektrischen Felds steuern. Ein Vorteil daran ist, dass elektrische Felder einfacher und energiesparender erzeugt werden können als magnetische Felder.

Heutige Computerfestplatten speichern die Daten in Form magnetischer Bits, die durch Anlegen eines Magnetfelds geschrieben werden. Bei Speichermedien auf Basis von Multiferroika würde die magnetische Datenspeicherung dagegen durch Anlegen einer elektrischen Spannung erfolgen, wozu deutlich weniger Energie nötig wäre. Die Festplatten würden weniger Abwärme produzieren und hätten daher einen geringeren Bedarf an Kühlung. Gerade für Cloud-Computing-Anwendungen, die riesige Mengen an Energie benötigen, sind mögliche Einsparungen von großer Bedeutung.

Für das neue Material wurde sowohl dessen chemische Zusammensetzung als auch der genaue Herstellungsprozess explizit ausgearbeitet. Sie fanden heraus, dass das Material mit der chemischen Formel YBaCuFeO5 besonders gute Ergebnisse zeigt, wenn es zuerst hoch erhitzt und dann sehr rasch und sehr stark abgekühlt wird. Bei der hohen Anfangstemperatur ordnen sich die Atome in der gewünschten Form an. Die rasche Abkühlung friert diese Anordnung dann sozusagen ein. Das Material wurde auf 1000 °C erhitzt und dann schlagartig auf -200 °C gekühlt. Nachdem es aus dem Kühlbad entnommen wird, behält das Material seine besonderen magnetischen Eigenschaften bis zur Raumtemperatur und etwas darüber.

Sowohl die Herstellungsprozedur als auch die Verbesserung der Materialeigenschaften wurden am PSI entwickelt. Auch die Materialien wurden dort hergestellt. Anschließend wurden sie an den beiden Großforschungsanlagen Neutronenquelle SINQ und Synchrotron Lichtquelle Schweiz untersucht. Es hat sich herausgestellt, dass die Herstellung einfach zu bewerkstelligen ist. Außerdem besteht das neue Material aus kostengünstigen Zutaten.