Zukünftige Informationstechnologien: Neues Materialsystem ermöglicht lokale magnetische Monopole - Ausblick auf energieeffiziente Datenspeicher

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