Zukünftige Informationstechnologien: Neues Materialsystem ermöglicht lokale magnetische Monopole - Ausblick auf energieeffiziente Datenspeicher
Unter dem Eisen-Nickel-Film befindet sich ein supraleitender Punkt (gestricheltes Quadrat). X-PEEM-Messungen zeigen die magnetischen Domänen innerhalb der Eisen-Nickel-Legierung vor (links) und nach dem Einschreiben (rechts). In dieser Probe ist ein Monopol entstanden (Pfeile, rechts). © HZB
Ein internationales Team hat an BESSY II einen neuen Weg gefunden, um exotische magnetische Muster wie Monopole oder Wirbel in einer dünnen magnetischen Schicht zu erzeugen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für schnelle und energieeffiziente Datenspeicher. Das neue Materialsystem besteht aus einer supraleitenden Mikrostruktur, die mit einem extrem dünnen ferromagnetischen Film beschichtet ist. Ein kurzfristig angelegtes äußeres Magnetfeld regt Ströme in den supraleitenden Bereichen an. Durch diese Ströme werden die gewünschten magnetischen Muster stabil in die ferromagnetische Dünnschicht eingeschrieben. Die Ergebnisse sind in Advanced Science publiziert.
Magnetische Muster wie Wirbel (Skyrmionen) oder Monopole eignen sich, um Daten schneller und mit weniger Energieeinsatz zu speichern. Bisher ist es jedoch schwierig, solche magnetischen Strukturen kontrolliert in einem Material zu erzeugen und zu manipulieren. Nun hat ein HZB-Team um Dr. Sergio Valencia in Kooperation mit einer Gruppe am Institut für Materialwissenschaften in Barcelona einen Weg aufgezeigt, um dies zu leisten.
Magnetische Dünnschicht auf supraleitenden Punkten
Die spanischen Kooperationspartner haben Mikrostrukturen hergestellt, indem sie auf eine Trägerschicht winzige Punkte aus dem Hochtemperatur-Supraleiter Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBaCuO) aufbrachten. Dabei stellten sie Proben mit jeweils unterschiedlich angeordneten Punkten her. Valencia und sein Team bedeckten diese Mikrostrukturen mit einem extrem dünnen Film aus einer weichmagnetischen Eisen-Nickel-Legierung.
Ströme erzeugen komplexe Felder
Die Experimente fanden bei 50 Grad Kelvin (minus 223 Grad Celsius) statt, so dass die YBaCuO-Punkte supraleitend waren. Senkrecht zur Probe legte das Team kurzfristig ein kleines äußeres Magnetfeld an. Dieses Magnetfeld erzeugt innerhalb der YBaCuO-Punkte supraleitende Ring-Ströme. Auch nach dem Abschalten des äußeren Magnetfelds laufen diese Ströme in den supraleitenden Punkten weiter und erzeugen ein komplexes magnetisches Feld, das sich direkt auf die darüberliegende magnetische Dünnschicht auswirkt.
Kartierung der magnetischen Domänen an BESSY II
Auf diese Weise lassen sich magnetische Muster in die Dünnschicht einschreiben, in denen zum Beispiel alle magnetischen Domänen aufeinander zu oder voneinander weg zeigen. Dies entspricht einem magnetischen Monopol. Das Team um Valencia konnte die magnetischen Domänen mit der Methode der Röntgen-Photo-Elektronen-Emissionsmikroskopie (X-PEEM und XMCD) an BESSY II kartieren. Das Verfahren bildet ausschließlich die Domänen innerhalb des magnetischen Eisen-Nickel-Films ab.
Monopole und Skyrmionen
Auch theoretische Simulationen belegen, dass die magnetischen Muster in der Dünnschicht über die Wechselwirkung mit den supraleitenden Bereichen erzeugt werden. Durch die Form der supraleitenden Bereiche und ihre Abstände zueinander lassen sich eine Vielzahl an exotischen magnetischen Mustern erzeugen, darunter auch stabile Wirbel, so genannte Skyrmionen. “Ich bin sehr optimistisch, dass sich diese Muster weiter miniaturisieren lassen. Damit könnte dieses Materialsystem ein Kandidat für künftige magnetische Datenspeicher werden. Außerdem gibt es jetzt schon Ideen dafür, wie es gelingen könnte, solche Materialsysteme auch bei Raumtemperatur zu nutzen“, sagt Valencia.
Die Arbeit "Encoding Magnetic States in Monopole-Like Configurations Using Superconducting Dots" ist in Advanced Science, Open Access, publiziert.
DOI: 10.1002/advs.201600207
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Umweltchemie an BESSY II: Radikale in GewässernWie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.