Grundlage für Nutzung von Skyrmionen für anwendungsrelevante Systeme / Magnetische Wirbel als Datenspeicher der Zukunft
02.03.2016
Einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist ein Durchbruch in der Grundlagenforschung für mögliche Datenspeichertechnologien der Zukunft gelungen. Die Idee dabei ist es, elektronische Speichereinheiten (Bits) nicht wie bisher üblich auf rotierenden Festplatten zu speichern, sondern als magnetische Wirbelstrukturen, sogenannte Skyrmionen, auf einem Nanodraht wie in einem Schieberegister abzulegen. Die magnetischen Skyrmion-Bits könnten damit schnelle Zugriffszeiten, hohe Speicherdichten und eine gesteigerte Energieeffizienz erreichen. Im Rahmen der jetzigen Arbeit wurden einzelne Skyrmionen bei Raumtemperatur erstmals gezielt durch Strompulse verschoben. Die Forschungsarbeit wurde im Fachmagazin Nature Materials publiziert.
Magnetische Skyrmionen sind spezielle Spinstrukturen, die in Materialien und insbesondere in dünnen Schichten auftreten können, wenn deren Inversionssymmetrie gebrochen ist. In den hier betrachteten Systemen bedeutet dies, dass ein dünner Metallfilm verwendet wird, dessen Schichtenaufbau nicht symmetrisch ist. In diesem Fall können sich Spinstrukturen bilden, die sich ähnlich verhalten wie ein Haarwirbel: So schwierig es sein kann, diesen Wirbel zu glätten, so schwer ist es, das Skyrmion zu zerstören, was ihm gesteigerte Stabilität verleiht.
Eine wichtige Eigenschaft der Skyrmionen ist es nun, dass sie isoliert in magnetischen Materialien existieren können und generell ungern mit dem Rand einer Struktur kollidieren. Dies verleiht ihnen die einzigartige Fähigkeit, isolierte Defekte im Material oder Eckenrauigkeit zu umgehen, während andere magnetische Strukturen wie Domänenwände damit kollidieren würden. Skyrmionen sind damit exzellente Kandidaten für das magnetische Schieberegister, den Racetrack-Speicher: Informationen könnten in Skyrmionen kodiert und diese dann mit Strom an festen Lese- und Schreibköpfen vorbeibewegt werden. Das Prinzip wäre sowohl schnell, als auch völlig unabhängig von beweglichen mechanischen Teilen und damit für mobile Anwendungen ideal geeignet.
Im Rahmen der Forschungsarbeit wurde bewiesen, dass individuelle Skyrmionen bei Raumtemperatur tatsächlich in einem magnetischen Draht, einem Racetrack, kontrolliert durch kurze Strompulse bewegt werden können. Des Weiteren wurden neue Methoden zur Beschreibung ihrer Dynamik etabliert und experimentell bestätigt. Die Arbeit kann damit als Grundstein für die Verwendung von Skyrmionen in anwendungsrelevanten Systemen angesehen werden.
"Es ist immer schön zu sehen, wenn ein gemeinsames Projekt schnell zu spannenden Ergebnissen führt. Bei diesem hier gilt das ganz besonders, da wir innerhalb von nur einem Jahr nach der Vereinbarung der Kooperation bereits diese Veröffentlichung schreiben konnten. Ihre Fertigstellung wäre ohne die enge Zusammenarbeit zwischen JGU und MIT und den regen Austausch nicht zustande gekommen", merkt Kai Litzius, Koautor der Veröffentlichung, an. Seine Arbeit erfolgte als Stipendiat der Exzellenz-Graduiertenschule "Materials Science in Mainz" (MAINZ) in der Gruppe von Prof. Dr. Mathias Kläui.
"Mich hat die effiziente Zusammenarbeit und die nachhaltige Kooperation mit Gruppen am MIT sehr gefreut. Nach einer Anschubfinanzierung durch ein Kooperationsprojekt finanziert durch das BMBF konnten wir unter anderem durch mehrere Aufenthalte von Studenten am MIT seit 2014 sechs gemeinsame Publikationen veröffentlichen", so Kläui, Professor am Institut für Physik und Direktor von MAINZ.
Die Graduiertenschule MAINZ wurde in der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder im Jahr 2007 bewilligt und erhielt in der zweiten Runde 2012 eine Verlängerung. Sie besteht aus Arbeitsgruppen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Technischen Universität Kaiserslautern und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz. Einer der Forschungsschwerpunkte ist die Spintronik, wobei die Zusammenarbeit mit führenden internationalen Partnern eine wichtige Rolle spielt.