Kleinste Datenspeicher aus Doppelwirbel-Türmchen

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In Nano-Scheiben treten Elektronenspins auch in einer wirbelförmigen Anordnungen auf. Ein Glücksfall für Forscher, die erstmals die Ausrichtung dieser Magnetwirbeln elektrisch auslesen konnten. Ein großer Schritt in Richtung minimalistische Datenspeicher.

Weil der Elektronenspin ein magnetisches Moment des Elektrons verursacht und damit dafür sorgt, dass etwa Eisen magnetisch ist, ist er für Ingenieure von besonderer Bedeutung. Während nun aber in Eisen die Spins aller Elektronen parallel zueinander ausgerichtet sind, kommen sie bei sehr dünnen und kleinen Schichten, den Nano-Scheiben, jedoch auch in einer wirbelförmigen Anordnung vor. Seit Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Forschungszentrums Jülich (FZJ) und des französischen Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS, Straßburg) von dieser komplexeren Struktur wissen, versuchen sie, diese Eigenschaften für äußerst platz- und energiesparende Datenspeicher zu nutzen.

In Nano-Scheiben sind die Spins so angeordnet, als hätte man gewöhnliche Stabmagneten in einem Kreis aneinandergereiht. Im Kern der Scheibe funktioniert diese Ordnung jedoch nicht mehr, weshalb sich die Magnete aus der Ebene heraus nach oben oder unten ausrichten. „Über diese beiden Eigenschaften, die Drehrichtung in der Ebene und die magnetische Orientierung im Kern, lassen sich Informationen speichern“, erklärt Attila Kákay, der vor kurzem vom Forschungszentrum Jülich nach Dresden wechselte. „Damit können wir pro Wirbel bereits zwei Bit an Informationen speichern. Werden zwei dieser Wirbelmagnete übereinander gestapelt, sind es bereits vier Bit, also ein System mit 16 verschiedenen Zuständen".

Magnetwirbel in Nano-Scheiben geben Informationen preis

Ein solches Doppelwirbel-Türmchen ist dann gerade mal 50 Nanometer hoch und hat einen Durchmesser von nur 150 Nanometern – fast tausend Mal dünner als ein menschliches Haar. Doch während die Drehrichtung der Wirbel und die Kernorientierung noch recht einfach durch Ströme und Magnetfelder beeinflusst werden können, war die geringe Größe der Nano-Scheiben beim Auslesen der Informationen bislang ein Hindernis: „Die magnetische Orientierung im Kern, die sogenannte Polarität, konnte nicht verlässlich gelesen werden, weil der Kern einfach zu winzig ist“, so Kákay. Bei Experimenten in Jülich fanden die Forscher dafür jedoch eine Lösung: Mikrowellen. Diese elektrischen Wechselspannungssignale erzeugt ein Doppelwirbel bei angelegtem Gleichstrom. Die spezifischen Frequenzen der Mikrowellen nutzen die Physiker nun, um die Polarität und die Drehrichtung der Wirbel zu bestimmen.

„Das Prinzip ähnelt dem einer Blockflöte: Auch bei dem Musikinstrument korrespondiert jeder Griff auf die Tonlöcher eindeutig mit einer ganz bestimmten Tonlage, also Schwingungsfrequenz“, erklärt Alina Deac, Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppe für Spinelektronik am HZDR. Mit dem neuen Prinzip haben die Wissenschaftler aus Dresden, Jülich und Straßburg Nano-Bauteile entworfen, die nicht nur Informationen mit Hilfe der Magnetwirbel speichern, sondern die auch zuverlässig elektrisch ausgelesen werden können. In Zukunft könnten damit weitaus mehr Daten auf immer kleineren Speicherbausteinen untergebracht werden und in moderner Elektrotechnik zur Anwendung kommen. Zudem kann die Frequenz der Wechselspannung bis in den Gigahertz-Bereich reichen, was die ultraschnelle, drahtlose Übertragung von Informationen möglich macht, zum Beispiel beim Mobilfunk oder im WLAN.