Energieeffiziente IT: Neuer Schaltprozess in spintronischen Bauelementen beobachtet

Ein magnetisches Feld wird kurz angelegt und erzeugt zwei Domänenwände, die sich nach Abschalten des äußeren Felds aufeinander zu bewegen und vernichten. Nach 58 Nanosekunden ist die Magnetisierung im Nanoring umgedreht.

Ein magnetisches Feld wird kurz angelegt und erzeugt zwei Domänenwände, die sich nach Abschalten des äußeren Felds aufeinander zu bewegen und vernichten. Nach 58 Nanosekunden ist die Magnetisierung im Nanoring umgedreht. © HZB

Klicken Sie auf<strong> <a href="http://www.helmholtz-berlin.de/media/media/oea/aktuell/news/animierte-gifs/automotion-mam.gif">diesen Link</a>, </strong>um<strong> </strong>die Bewegung der beiden Dom&auml;nenw&auml;nde im Video zu sehen.

Klicken Sie auf diesen Link, um die Bewegung der beiden Domänenwände im Video zu sehen. © HZB

Ein Forscherteam aus Berlin, Stuttgart und Mainz hat in einem ferromagnetischen Material einen neuartigen magnetischen Schaltprozess beobachtet, der sehr schnell abläuft und kaum Energieaufwand erfordert. Voraussetzung ist, dass das Material aus ringförmigen Nanostrukturen besteht. Solche Strukturen könnten ein Weg zu energiesparenden neuen Datenspeichern sein. Die Ergebnisse sind als "Highlight" in Physical Review Applied veröffentlicht.

Magnetische Datenspeicher basieren stets auf Bauelementen mit zwei stabilen magnetischen Zuständen, zwischen denen sich hin- und herschalten lässt. Gute Kandidaten für solche Bauelemente sind ringförmige Strukturen aus einem permanentmagnetischen Material mit winzigen Durchmessern von tausendstel Millimetern. Diese Nanoringe können im oder gegen den Uhrzeigersinn magnetisiert sein. Allerdings gelingt das Umschalten zwischen den beiden Zuständen bisher nur, wenn ein komplexes zirkular magnetisches Feld anliegt.

Nanoringe lassen sich leicht umschalten

Wie es leichter gehen könnte, hat nun ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus verschiedenen Forschungseinrichtungen in Deutschland gezeigt: Wird das Loch im Ring nicht mittig, sondern leicht asymmetrisch angeordnet, so dass der Ring an einer Seite dünner ist als an der anderen, dann wird das Umschalten ganz einfach!  Ein magnetisches Feld, das nur wenige Milliardstel Sekunden lang stabil sein muss, genügt, um die Magnetisierung vom Uhrzeigersinn in den Gegenuhrzeigersinn zu drehen.

Ein kurzzeitiges Magnetfeld reicht aus

An der Maxymus-Beamline von BESSY II konnte das Team mit Hilfe von zeitaufgelöster Röntgen-Mikroskopie beobachten, wie sich die Magnetisierung  entwickelt, nachdem der kurze Magnetfeldpuls angelegt wurde: So bilden sich durch den magnetischen Puls zunächst zwei Domänenwände im Ring aus. Sobald das äußere magnetische Feld abgeschaltet wird, bewegen sich die Domänenwände sehr schnell aufeinander zu und vernichten sich. Dadurch dreht sich die Magnetisierung vom Uhrzeigersinn in die Gegenrichtung um.

Schneller Prozess für Spintronik

“Unsere Messungen zeigen, dass sich die Domänenwände im Durchschnitt 60 Meter pro Sekunde bewegen. Dies ist sehr schnell für spintronische Anwendungen”, sagt Dr. Mohamad-Assaad Mawass, Erstautor der Publikation in Physical Review Applied. Mawass hat an diesen Experimenten bereits im Rahmen seiner Doktorarbeit an der Johannes Gutenberg Universität Mainz (Gruppe von Prof. Kläui) gemeinsam mit der Gruppe um Gisela Schütz vom Max Planck Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart, gearbeitet. Nun konnte er diese Forschung als Postdoc an der X-PEEM-Beamline am HZB fortsetzen.  “Wir sind davon überzeugt, dass wir einen robusten, zuverlässigen Umschaltprozess  gefunden haben, der sich für Anwendungen in der Spintronik, zum Beispiel für die energieeffiziente Datenspeicherung eignet”, sagt Mawass.

Die Ergebnisse sind nun in Physical Review Applied veröffentlicht, die Arbeit wurde von den Herausgebern besonders hervorgehoben (Editors' Suggestion).

Zur Publikation in Physical Review Applied (2017): "Switching by domain wall automotion in asymmetric ferromagnetic rings”, Mohamad-Assaad Mawass, Kornel Richter, Andre Bisig, Robert M. Reeve, Benjamin Krüger, Markus Weigand, Andrea Krone, Hermann Stoll, Florian Kronast, Gisela Schütz, and Mathias Kläui


DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.044009

 

arö

  • Link kopieren

Das könnte Sie auch interessieren

  • Supraleitendes TES-Array-Röntgenspektrometer geht bei BESSY II in Betrieb
    Science Highlight
    15.06.2026
    Supraleitendes TES-Array-Röntgenspektrometer geht bei BESSY II in Betrieb
    Teams aus HZB, MPI-CEC (Mühlheim an der Ruhr, Deutschland) und NIST (Boulder CO, USA) haben das supraleitende TES-Array-Röntgenspektrometer gemeinsam entwickelt. Jetzt ist es an BESSY II in Betrieb gegangen, als erstes und einziges Synchrotron-TES-Spektrometer in Europa. Das neue Instrument ist etwa 100- bis 1000-mal effizienter bei der Detektion von Photonen als herkömmliche Röntgenemissionsspektrometer und ermöglicht es, die elektronischen Eigenschaften atomar dünner Schichten, Nanostrukturen und hochverdünnter atomarer und molekularer Proben zu untersuchen. Das BESSY-Team freut sich auf spannende Forschungsideen aus der Nutzerschaft!
  • Magnon-Momentum-Mikroskopie: Neues Fenster in nanoskalige Spinwellen
    Science Highlight
    08.06.2026
    Magnon-Momentum-Mikroskopie: Neues Fenster in nanoskalige Spinwellen
    Ein internationales Team unter der Leitung des Max-Born-Instituts hat eine neue Art der Momentum-Mikroskopie entwickelt, mit der Magnonen – die Quanten kollektiv angeregter Spins – mithilfe von Weichröntgenstrahlung direkt im zweidimensionalen reziproken Raum abgebildet werden können. Die Messungen fanden an BESSY II und Petra III statt. Erstautor ist der HZB-Physiker Steffen Wittrock. Dank ihrer Empfindlichkeit, Einfachheit und der Möglichkeit, Wellenlängen im Nanometerbereich aufzulösen, bildet diese neuartige Methode eine leistungsstarke und vielseitige Plattform für die Erforschung nichtlinearer Magnonen-Wechselwirkungen, die für zukünftige Rechenkonzepte interessant sind.

  • BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von Feststoffbatterien
    Science Highlight
    08.05.2026
    BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von Feststoffbatterien
    Feststoffbatterien 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.