Fortschritt in der Skyrmionen-Forschung Daten speichern in drei Dimensionen

Schematische Darstellung eines Racetrack-Drahtes
Schematische Darstellung eines Racetrack-Drahtes

Die herkömmliche Speichertechnik stößt bald an ihre physikalischen Grenzen. Um dennoch immer mehr Daten auf immer weniger Raum zu sammeln, setzen Forscher auf magnetische Wirbel in Racetrack-Strukturen. Jetzt sind Wissenschaftler des MBI und MIT den Skyrmionen einen Schritt näher gekommen.

»Unsere Daten sind in der Cloud« – wer das sagt, vergisst manchmal, dass die Daten letztendlich auf Festplatten abgespeichert sind, in großen Datencentern von Firmen wie Google und Facebook. Die einzelnen Daten-Bits sind in der Magnetisierung dünner magnetischer Filme gespeichert. Die Bits werden mit einem sich mechanisch bewegenden Schreib-/Lesekopf mit Magnetfeldpulsen auf eine schnell rotierende Scheibe geschrieben, die eigentliche Festplatte.

Um zukünftig mehr Daten auf gleichem Raum speichern zu können, arbeiten Wissenschaftler daran, von diesem inhärent zweidimensionalen Speicherverfahren zu einem dreidimensionalen Verfahren überzugehen. In solchen sogenannten Racetrack-Speichern sollen die Bits auch als Magnetisierungsmuster gespeichert werden, nun aber in einer drahtartigen Struktur. Dort können sie zum Lesen und Schreiben wie auf einer Rennbahn – daher der Name – sehr schnell hin und her geschoben werden. Im Gegensatz zu heutigen Festplatten soll das Schreiben und Verschieben der Bits ausschließlich mit Hilfe sehr kurzer Strompulse geschehen und damit auf den Einsatz beweglicher Teile ganz verzichtet werden. Da sich die Racetrack-Drähte wie viele parallele Strohhalme in drei Dimensionen dicht packen lassen, wären so deutlich höhere Speicherdichten möglich.

Ein Kandidat für die Darstellung einzelner Bits sind dabei die nanometerkleinen Wirbel in der Magnetisierung des magnetischen Materials, die Skyrmionen. Sie faszinieren die Forscher, da sie sich mittels Strom verschieben lassen und dabei sehr stabil sind. Das Vorhandensein bzw. die Abwesenheit eines Skyrmions würde dann zukünftig die Bits »0« und »1« repräsentieren. Um einzelne Skyrmionen kontrolliert zu erzeugen, waren bisher jedoch sehr aufwändige Apparaturen nötig.

Skyrmionen im Speicherchip einfach erzeugen

Nun haben Wissenschaftler des Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI), des Massachusetts Institute of Technology (MIT) sowie weiterer deutscher Forschungseinrichtungen eine Methode zum Erzeugen von Skyrmionen gefunden, die sich direkt im Speicherchip integrieren lässt und bis in den Gigahertz-Bereich zuverlässig funktioniert.

Zur Herstellung von Skyrmionen werden sogenannten Sandwich-Strukturen bestehend aus Platin, einer magnetischen Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor sowie Magnesiumoxid benötigt. Aufgrund des Spin-Hall-Effektes, einem quantenmechanischen Effekt, und einer speziellen Wechselwirkung der Atome an den Grenzflächen der Materialien lassen sich die magnetischen Wirbel durch Strompulse gezielt erzeugen. Nun ist das direkt in sogenannten Racetrack-Strukturen möglich, und zwar an vorher festgelegten Stellen, was ja für ein kontrolliertes Schreiben von Daten wesentlich ist. Die Racetrack-Strukturen sind nanometerdünne Drähte aus übereinandergestapelten magnetischen Materialien. Den genauen Erzeugungsort der Magnetwirbel können die Forscher durch eine kleine zusätzliche Verengung im Draht festlegen.

Nachweis am Deutschen Elektronensynchrotron erbracht

Dass tatsächlich die speziellen Skyrmion-Magnetwirbel erzeugt und mit einem weiteren Strompuls in den Racetrack-Draht geschoben worden sind, haben die Wissenschaftler am Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Hamburg mit Röntgenstrahlung nachgewiesen.

Die Forscher haben in ihren Untersuchungen verfolgen können, wie mit einzelnen Strompulsen Skyrmionen erzeugt und dann mit weiteren Pulsen bewegt werden. Wichtig war dabei das Verständnis der grundlegenden Prozesse: Was spielt sich in den wenige Nanometer dünnen Schichten des Materials und an den Grenzflächen ab, wenn einzelne kurze Strompulse mit einer Dauer im Bereich von Nanosekunden durch das Material geschickt werden? Wie beeinflussen Elektronen von der Platinschicht aus während der Strompulse die Magnetisierung in der angrenzenden Kobaltlegierung, so dass Skyrmionen mit bestimmtem Drehsinn entstehen?

Die Forschungsergebnisse sind in »Nature Nanotechnology« erschienen.