Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Neue Phänomene im magnetischen Nanokosmos

Beobachtung magnetischer Tröpfchen große Bedeutung für die magnetische Datenprozessierung

26.06.2018

MPI-IS

Abbildung 1: Schema eines senkrecht magnetisierten Spin-Torque Nano Oszillators. Der Strom fließt durch den Nanokontakt, der in der obersten Schicht des Stapels geöffent wurde.

MPI-IS

Abbildung 2: direkte röntgenmikroskopische Abbildung des magnetischen Tröpfchens als räumliche Karte der senkrechten Magnetisierung.

Forscher am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart konnten mit Hilfe eines Röntgenmikroskops bei der Bildung von magnetische Tröpfchen ein völlig unerwartetes Verhalten beobachten. Wenn der Strom über einen Nanokontakts durch die magnetische Schicht fließt, breitet er sich wesentlich weiter aus, als die Ausdehnung des Nanokontakt es zulassen sollte. Bisher waren Forscher davon ausgegangen, dass nur die Fläche unterhalb des Nanokontakts reagiert. Doch Experimente haben die Wissenschaftler eines Besseren belehrt. Ein spannendes Phänomen in der Grundlagenforschung und von großer Bedeutung für die magnetische Datenprozessierung.

Joachim Gräfe hat die Grundlagenforschung im Bereich Nanomagnetismus einen Schritt weitergebracht. Der Leiter der Gruppe „Nano-Magnonik und Magnetisierungsdynamik“ am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart (MPI-IS) hat erforscht, was passiert, wenn Strom durch einen nur 80 Nanometer kleinen Kontakt fließt, auf eine magnetische Schicht trifft, und wie sich dann ein Soliton eines magnetischen Tröpfchens mittels des Zhang-Li-Drehmoments ausdehnt. Das Ergebnis ist eine Fläche doppelt so groß wie der Nanokontakt. Bisher waren Forscher davon ausgegangen, dass sich nur die Fläche direkt unterhalb des Nanokontakts verändert. Doch Experimente mit einem Röntgenmikroskop namens MAXYMUS, das wegen der kürzeren Wellenlänge von Röntgenstrahlen selbst Strukturen kleiner als 10 Nanometer sichtbar werden lässt, haben die Wissenschaftler eines Besseren belehrt.

„Direct Observation of Zhang-Li Torque Expansion of Magnetic Droplet Solitons“ heißt Gräfes Publikation, die am 23. Mai 2018 im Journal Physical Review Letters erschien. „Was uns antrieb, war zu verstehen, was passiert, wenn ein lokaler Strom auf die magnetische Schicht trifft“, sagt Gräfe. „Unser Röntgenmikroskop hat einzigartige Bilder von diesen magnetischen Systemen geliefert. Die Ausbildung magnetischer Tröpfchen konnte bis jetzt noch nie jemand beobachten. Wir haben damit die Grundlagenforschung im Bereich Nanomagnetismus einen Schritt weiterbringen können.“

„Die Theorie hat vorhergesagt, dass sich nur die Fläche unterhalb des Nanokontakts verändert. Aber wir haben etwas anderes beobachtet, als wir das magnetische Tröpfchen unter dem Röntgenmikroskop beobachtet haben – eine Überraschung“, fügt Gisela Schütz hinzu. Sie ist Direktorin der Abteilung für Moderne Magnetische Systeme am MPI-IS; ihr ist Gräfes Forschungsgruppe zugeordnet. „Es hat wieder einmal gezeigt: Das Experiment hat immer das letzte Wort.“

Abbildung 1 zeigt so ein magnetisches Bauteil, das Gräfe unter dem Mikroskop beobachtet hat. Es besteht aus verschiedenen Schichten. Innerhalb der blauen Schicht aus Kobalt (Co) und Nickel (Ni), dem sogenannten „free layer“, hat Gräfe seine interessante Entdeckung gemacht. Er leitete Strom durch einen 80 nm kleinen Nanocontact (NC im Bild) in das magnetische Bauteil. Er hat damit das simuliert, was passieren kann, wenn magnetische Hochgeschwindigkeitsspeicher Informationen schreiben. „Irgendwie lassen sich so Daten in dieser Kobalt-Nickel-Schicht einprägen, aber wie genau das funktioniert, wusste niemand. Es war bis jetzt immer eine Blackbox“, erklärt Gräfe. Der Forscher zeigt nun aber, dass wenn Strom zum Schreiben von Daten auf das magnetische Bauteil trifft (wie in Abbildung 2 zu sehen ist), die magnetische Schicht unterhalb des Nanokontakts sich so verhält, wie wenn ein Wassertropfen auf eine Wasseroberfläche fällt. Nur „die durch den Strom in Schwung geratene Fläche innerhalb der magnetischen Schicht ist doppelt so breit wie der Nanocontact (grüner Ring) groß ist – eine Überraschung! Man hätte eigentlich erwartet, dass der Durchmesser der magnetischen Schicht genauso groß ist wie der Nanocontact breit ist. So dachte bis jetzt die Wissenschaftswelt.“ Aber was Gräfe beobachtete, war, dass der Durchmesser doppelt so groß war, weil zusätzliche Effekte auf das magnetische Tröpfen wirken. Gräfe führt dazu aus: „die große Diskrepanz entsteht vor allem durch den Zhang-Li-Drehmoment, der einen Druck nach außen auf den Tropfenumfang ausübt. Elektrische Messungen an Tröpfchen, die mit einem umgekehrten Strom im antiparallelen Zustand nukleiert wurden, bestätigen dieses Bild.“

„Unsere Errungenschaft ist, dass wir sehen können, wie das genau auf der Nanoskala funktioniert, was da mikroskopisch passiert. Wir haben damit grundlegende physikalische Fragestellungen beantworten können, die bei dem Design von neuartigen magnetischen Speichertechnologien von entscheidender Bedeutung sind“, schließt Gisela Schütz.

Dr. Joachim Gräfe leitet die Forschungsgruppe "Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik" am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme in Stuttgart. Die Gruppe ist der Abteilung Moderne Magnetische Systeme von Prof. Gisela Schütz zugeordnet. Gräfes Forschung konzentriert sich auf die Magnetisierungsdynamik auf der Nanoskala, insbesondere die Magnonik, durch den Einsatz modernster Röntgenmikroskopie.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Nanomagnetismus
  • Strom
  • Röntgenmikroskopie
Mehr über MPI für Intelligente Systeme
Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Erstmals Langzeit-Messung atmosphärischer Radikale

    Hydroxylradikale (OH) tragen zur Reinigung der Atmosphäre bei. Sie reagieren mit toxischen Gasen wie Kohlenmonoxid (CO) und verlangsamen die globale Klimaerwärmung, indem sie Treibhausgase wie Methan (CH4) durch Oxidation aus der Luft entfernen. In einigen Teilen der Atmosphäre, wie zum Bei ... mehr

    Hocheffizient und kostengünstig: Neuartige Polymer-Linsen für Röntgenmikroskope

    Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart haben ein neuartiges und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Röntgenlinsen mit Nanometer kleinen Merkmalen und exzellenten Fokussiermöglichkeiten erfunden. Durch den Einsatz dieser fortschrittlichen 3D- ... mehr

    Neue Impulse für Biokraftstoffzellen

    In der Chemie ist eine Reaktion spontan, wenn keine externe Energie diese auslöst. Wie viel Energie in einer Reaktion freigesetzt wird, hängt von den Gesetzen der Thermodynamik ab. Bei den spontanen Reaktionen im menschlichen Körper reicht diese oft nicht aus, um medizinische Implantate zu ... mehr

  • Videos

    Katalysatoren - Multitalent Katalysator

    Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr

    STED - Lichtblicke in die Nanowelt

    Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr

    Tuning für Brennstoffzelle

    Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.