Domänenwände als neue Informationsspeicher

Bewegung von Domänenwänden abgebildet: Materialdefekte spielen bei hohen Geschwindigkeiten keine Rolle mehr

Physiker der Johannes Gutenberg-Universität Mainz haben erstmals direkt beobachtet, wie sich magnetische Domänen in winzigen Nanodrähten verhalten. Sie nutzten unter anderem die MAXYMUS-Beamline des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme, Stuttgart, am Berliner-Elektronenspeicherring BESSY II, den das HZB betreibt. Damit gelang es ihnen, die Vorgänge in Bildsequenzen festzuhalten. Sie konnten so theoretisch vorhergesagte Effekte experimentell nachweisen und außerdem auch neue Eigenschaften feststellen, die interessante Anwendungsmöglichkeiten in der Informationstechnologie versprechen, zum Beispiel als Informationsspeicher oder als Lagesensoren. Erste Anwendungen, die auf dem Prinzip von magnetischen Domänenwänden beruhen, werden bereits in der Sensortechnologie genutzt.

In ferromagnetischen Materialien bilden sich so genannte Domänen, in denen die Magnetisierung einheitlich ist. Wo solche Domänen aneinander grenzen, bilden sich Domänenwände, die beweglich sind und sich auch gezielt beeinflussen lassen.  Die Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Mathias Kläui an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz untersucht solche Domänenwände,  die sich in winzigen magnetischen Ringen von etwa 4 Mikrometer Durchmesser bilden. Die Ringe bestehen aus Permalloy, einer leicht zu magnetisierenden ferromagnetischen Nickel-Eisen-Legierung.

Hierzu gab es eine Zusammenarbeit der Mainzer Physiker  mit Wissenschaftlern um Prof. Dr. Gisela Schütz am MPI für Intelligente Systeme in Stuttgart und um Prof. Dr. Stefan Eisebitt, der die gemeinsame Forschergruppe "Funktionale Nanomaterialien" von HZB und TU Berlin leitet. Durch Messungen an den Synchrotronquellen BESSY II am HZB sowie an der Advanced Light Source in Berkeley, USA, konnten sie die Bewegung der Domänenwände an speziellen Röntgenmikroskopen direkt beobachten, so auch am Röntgenmikroskop MAXYMUS,das von der Abteilung Schütz betrieben wird.

Den Forschern gelang es außerdem, mit rotierenden Magnetfeldern, die sie durch Strompulse erzeugten, die Domänenwände im Ring gezielt zu bewegen und damit im Ring zu drehen. „Je schneller wir die Domänenwand drehen, desto einfacher ist es, sie zu kontrollieren“, so Dr. André Bisig aus der Gruppe um Kläui, Erstautor der Studie. Dabei beobachteten sie auch einen neuen Effekt: Die Geschwindigkeit der Domänenwände oszilliert beim dieser Drehbewegung, da sich die interne magnetische Struktur der Domänenwände periodisch ändert.

Eine weitere Beobachtung betraf die Auswirkungen von Unregelmäßigkeiten oder Defekten in den Nanodrähten. Diese Auswirkungen machen sich nur, so die Ergebnisse, bei langsamen Domänenwänden bemerkbar. Je schneller eine Domänenwand gedreht wird, umso weniger spielen Defekte im Material eine Rolle. „Diese Ergebnisse erweitern das Verständnis des dynamischen Verhaltens magnetischer Domänenstrukturen“ erklärt Prof. Stefan Eisebitt. „Sie illustrieren zudem, wie wichtig es ist, mit modernen Röntgenmikroskopen funktionalen Nanostrukturen ´bei der Arbeit´ zuschauen zu können, um aus den Erkenntnissen auch neue Anwendungen zu erschließen.“

Und Markus Weigand, der leitende Wissenschaftler an der MPI MAXYMUS -Endstation führt aus: „Unser Raster-Röntgenmikroskop an BESSY II ist derzeit das wohl weltweit leistungsfähigste Instrument für direkte zeitaufgelöste Abbildungen der Magnetisierungs-Dynamik. Die Vorgänge können in Zeitlupe um einen Faktor ‚zehn Milliarden’ langsamer dargestellt werden“.

Veröffentlichung:
André Bisig et al.
Correlation between spin structure oscillations and domain wall velocities
Nature Communications, 27. August 2013
DOI: 10.1038/ncomms3328