Magnetisches Schalten in Rekordzeit vorhergesagt
Jülicher Forscher simulieren neue Methode
Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben eine grundlegend neue Methode entdeckt, magnetische Strukturen in Rekordgeschwindigkeit durch einen äußeren Magnetfeldpuls umzupolen. Wie in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters berichtet wird, erhoffen sich die Forscher zukünftige Anwendungsmöglichkeiten für äußerst schnelle Datenspeicher. In winzigen scheibchenförmigen Magneten, die eine Größe von gerade mal einem Millionstel Meter haben, kann sich die Magnetisierung spontan zu einem Wirbel anordnen.
Solche Wirbel erinnern an alltägliche Phänomene, wie Wasser, das durch einen Ausguss abfließt. Auch magnetische Wirbel besitzen ein Zentrum, den so genannten Kern, der einen Durchmesser von etwa zehn Nanometern oder weniger als 100 Atomen hat. Im Wirbelkern ist die Magnetisierung senkrecht zur Wirbelebene ausgerichtet und zeigt entweder nach oben oder nach unten. Dadurch eignen sich diese Strukturen prinzipiell für Anwendungen als binäre Datenspeicher, umso mehr, da die Richtung der Magnetisierung äußerst stabil ist. Verantwortlich für die hohe Stabilität ist die stärkste Kraft, die in solchen Magneten vorkommt, die so genannte Austausch-Wechselwirkung.
Wenn diese interne Kraft genutzt wird, so berechneten die Jülicher Festkörperphysiker, ist es möglich, die Magnetisierungsrichtung des Kerns umzukehren, ohne extrem starke Magnetfelder einzusetzen. Mit Hilfe modernster Computer-Simulationen haben die Wissenschaftler in der Gruppe um Dr. Riccardo Hertel vom Jülicher Institut für Festkörperforschung (IFF) zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut in Stuttgart eine Möglichkeit aufgezeigt, Magnet-Kerne mit sehr kurzen und vergleichsweise schwachen magnetischen Pulsen umzupolen. Diese Pulse bewirken Prozesse im Inneren der Magnet-Scheibchen, an denen die Austausch-Wechselwirkung einen entscheidenden Anteil hat. Denn deren Stärke sorgt für höchste Geschwindigkeit: "Das wichtigste Ergebnis unserer Studie ist, dass schon ein magnetischer Puls von nur fünf Milliardstel Millisekunden Dauer ausreicht, um die Magnetisierungsrichtung des Kerns umzukehren das ist fast 100 Mal schneller als der schnellste Computer-Prozessor", freut sich Hertel.
Der Puls verzerrt die magnetische Struktur der Scheibe so stark, dass ein zusätzliches Wirbel-Paar entsteht. Dieses Paar besteht aus einem neuen Wirbel und dessen Gegenstück, einem sogenannten Anti-Wirbel. Anschließend löschen sich der ursprüngliche Wirbel und der neue Anti-Wirbel aus, so dass nur noch ein Wirbel übrig bleibt. Dessen Kern zeigt nach unten, wenn die ursprüngliche Magnetisierung nach oben zeigte, und umgekehrt.
Neben der hohen Geschwindigkeit ist bemerkenswert, dass die Prozesse automatisch ablaufen: Das externe Magnetfeld ruft lediglich eine Störung in der inneren magnetischen Struktur hervor, die komplizierten Umstrukturierungen erfolgen automatisch bei der anschließenden Stabilisierung. "Unsere Erkenntnisse stellen eine viel versprechenden Fortschritt auf dem Weg zu schnelleren und kompakteren magnetischen Datenspeichern dar", bekräftigt Prof. Claus M. Schneider, Direktor am IFF.
Originalveröffentlichung: R. Hertel, S. Gliga, M. Fähnle, C. M. Schneider, "Ultrafast Nanomagnetic Switching of Vortex Cores"; Physical Review Letters 2007, 98, 117201.
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