Von einzelnen Bits zu ganzen Bit-Sequenzen: Neuer Ansatz für magnetische Datenspeicher
Forschungsteam unter Federführung der TU Chemnitz und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben Grundlagen für den schnellen Transport ganzer Bitsequenzen anstelle einzelner Bits in ferromagnetischen Materialien geschaffen – Veröffentlichung der experimentellen Ergebnisse in „Advanced Electronic Materials“
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Oben: Magnetische Zylinderdomänen (weiß = nach unten magnetisiert auf schwarzem (= nach oben magnetisiertem) Hintergrund). Mitte, links: Schematische Darstellung einer nach unten magnetisierter Zylinderdomäne mit gleichmäßig im Uhrzeigersinn magnetisierter Domänenwand. Mitte, rechts: Schematische Darstellung einer nach unten magnetisierter Zylinderdomäne mit abwechselnd im- und entgegen-dem-Uhrzeigersinn magnetisierten Domänenwand. Unten: Beispielhafte Darstellung von Zylinderdomänen mit verschiedenen Kodierungssequenzen innerhalb der Domänenwand (bestehend aus 4 Bits) entlang der Schichtdicke. Hierbei entspricht ein im-Uhrzeigersinn magnetisierter Block einer „1“ und ein entgegen-dem-Uhrzeigersinn magnetisierter Block einer „0“ in der gespeicherten Bitsequenz. Grafik: Professur Magnetische Funktionsmaterialen
Magnetische Nano-Objekte gewinnen bei der Entwicklung effizienterer Speicher- und Datenverarbeitungstechnologien immer mehr an Bedeutung. Unter der Federführung der Professur Magnetische Funktionsmaterialen (Leitung: Prof. Dr. Olav Hellwig) der Technischen Universität Chemnitz und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben Forscherinnen und Forscher dieser Einrichtungen gemeinsam mit der Technischen Universität Dresden und dem Forschungszentrum Jülich erstmals experimentell gezeigt, dass es möglich ist, anstatt einzelner Bits auch ganze Bit-Sequenzen in einzelnen sogenannten Zylinderdomänen auf der Nanoskala zu speichern. Hierbei wird Information in Form einer Orientierungs-Sequenz der Grenze zwischen der Zylinderdomäne und der Umgebung (in der sogenannte Domänenwand) entlang der magnetischen Schichtdicke durch im- und entgegen-dem-Uhrzeigersinn orientierte Bereiche innerhalb der Domänenwand kodiert. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscherinnen und Forscher in der Fachzeitschrift „Advanced Electronic Materials“.
Das Prinzip der neuen Idee ist in der Abbildung veranschaulicht. Nanometer große Zylinderdomänen (Englisch: bubble domains) können in hoher Dichte im magnetischen Material stabilisiert werden (oben). Schaut man sich nun den Querschnitt einer solchen Zylinderdomäne entlang der Schichtdicke an (Mitte links in der Abbildung), so ist in der Regel die Domänenwand zwischen der nach unten magnetisierten Zylinderdomäne (hier weiß dargestellt) und der nach oben magnetisierten Umgebung (hier schwarz dargestellt) entweder über die gesamt Schichtdicke hinweg jeweils im- oder entgegen-dem-Uhrzeigersinn um die nach unten magnetisierte Zylinderdomäne herum orientiert.
In den Forschungsarbeiten an der TU Chemnitz und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf wurde nun erstmals experimentell gezeigt, dass es auch möglich ist, in speziell hierfür hergestellten Schichtsystemen eine blockweise abwechselnd im- und entgegen-dem-Uhrzeigersinn orientiere Domänenwand zu stabilisieren (siehe Veranschaulichung Mitte rechts in der Abbildung). Damit wird es prinzipiell möglich, bei entsprechender Einstellung der magnetischen Wechselwirkungen die Sequenz der Orientierung der Domänenwand entlang der Schichtdicke selbst als Bitsequenz zu verwenden und somit statt einzelner Bits jetzt ganze Bitsequenzen in ein und derselben Zylinderdomäne einzulagern (beispielhaft dargestellt unten in der Abbildung für einige Bitsequenzen in einer Zylinderdomäne mit vier Bitblöcken).
Perspektivisch sollte es damit auch möglich sein, solche Multi-Bit-Zylinderdomänen dann kontrolliert entlang magnetischer Daten-Autobahnen (sogenannter „Racetracks“) schnell und energieeffizient zu transportieren [1, 2]. Zusätzlich besitzen solche komplexen magnetischen Nano-Objekte großes Potential für die magnetische Umsetzung von neuronalen Netzwerken, die nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns Daten verarbeiten sollen, oder für die gezielte Erzeugung magnetischer Streufeld-Landschaften auf der Nano-Skala.
Publikation: Ruslan Salikhov, Fabian Samad, Sebastian Schneider, Darius Pohl, Bernd Rellinghaus, Benny Böhm, Rico Ehrler, Jürgen Lindner, Nikolai S. Kiselev, Olav Hellwig. Multilayer Metamaterials with Ferromagnetic Domains Separated by Antiferromagnetic Domain Walls. Advanced Electronic Materials. 2400251 Version of Record online: 13 May 2024, https://doi.org/10.1002/aelm.202400251
Weitere Informationen erteilt Prof. Dr. Olav Hellwig, Tel. +49 (0)371 531-30521, E-Mail olav.hellwig@physik.tu-chemnitz.de
Referenzen:
[1] S. Parkin and S.-H. Yang, Memory on the racetrack, Nature Nanotechnology 10, 195 (2015).
[2] Y. Yao et al., Chirality flips of skyrmion bubbles, Nature Communications 13, Article number: 5991 (2022).
(Autor: Prof. Dr. Olav Hellwig)
Mario Steinebach
22.05.2024
