Seit fast siebzig Jahren werden Magnetbänder und Festplatten in Computern zur Datenspeicherung verwendet. Trotz vieler Neuentwicklungen bleibt die kontrollierte Magnetisierung eines Datenträgers aufgrund ihrer Langzeitbeständigkeit und geringen Kosten das Mittel der Wahl für die Archivierung von Informationen. Zur Realisierung eines Random Access Memory (RAM) dagegen, wie Computer sie als Arbeitsspeicher, galt die Magnettechnologie bislang allerdings als ungeeignet. Das liegt vor allem an ihrer geringen Schreibgeschwindigkeit und dem vergleichsweise hohen Energieverbrauch.
Pietro Gambardella, Professor am Department Materialwissenschaft der ETH Zürich, und seine Mitarbeiter haben nun gemeinsam mit Kollegen am Department Physik sowie am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen gezeigt, dass magnetische Speicherung mit Hilfe eines neuen Verfahrens blitzschnell und energiesparend erfolgen kann.
Magnetisierungs-Umkehr ohne Spulen
In traditionellen Magnetspeichern werden Band- oder Platten-Datenträger verwendet, die einer Kobaltlegierung beschichtet sind. Mittels einer stromdurchflossenen Spule wird ein Magnetfeld erzeugt, das jeweils in einem kleinen Bereich des Datenträgers die Magnetisierungsrichtung ändert. Der Vorgang ist - gemessen an den Geschwindigkeiten moderner Prozessoren - sehr langsam. Zzudem kommt es durch den elektrischen Widerstand der Spulen zu Energieverlusten. Viel besser wäre es daher, die Magnetisierungsrichtung ohne den Umweg über eine Magnetspule zu ändern.
Die Magie des Elektronen-Spins
Bereits 2011 demonstrierten Gambardella und seine Kollegen ein Verfahren, das genau dies schaffte: Elektrischer Strom, der durch einen speziell beschichteten Halbleiterfilm floss, kehrte die Magnetisierung in einem winzigen Metallpunkt um. Dies wird durch einen physikalischen Effekt ermöglicht, der als Spin-Bahn-Drehmoment bezeichnet wird.
Dabei führt das Fließen eines elektrischen Stroms in einem Leiter zu einer Anhäufung von Elektronen mit entgegengesetzten magnetischen Momenten (Spin) an den beiden Enden des Leiters. Die Spins der Elektronen wiederum schaffen ein Magnetfeld, das zur Ausrichtung der magnetischen Momente der Atome eines in unmittelbarer Nähe befindlichen magnetischen Materials führt.
Räumliche Auflösung mit Röntgenstrahlen
In ihrem Experiment kehrten die Forscher die Magnetisierung eines Kobalt-Punktes von nur 500 Nanometern Durchmesser mit elektrischen Strompulsen um, die durch einen benachbarten Platindraht flossen. Währenddessen setzten sie den Kobalt-Punkt stark gebündelten Röntgenstrahlen aus, die den Punkt nach und nach mit einer räumlichen Auflösung von 25 Nanometern abtasteten. Wie stark der Punkt die Röntgenstrahlen an einer bestimmten Stelle absorbierte, hing davon ab, in welche Richtung das Metall dort magnetisiert war.
„Auf diese Weise erhielten wir ein zweidimensionales Bild der Magnetisierung des Kobalt-Punktes und konnten zusehen, wie der Strompuls diese allmählich veränderte“, erklärt Manuel Baumgartner, Erstautor der Studie und Doktorand in Gambardellas Forschungsgruppe.
Magnetisierung kontrolliert umkehren
Die Forscher konnten so feststellen, dass die Umkehrung der Magnetisierung in weniger als einer Nanosekunde erfolgte – deutlich schneller als in anderen in jüngster Zeit erforschten Verfahren.
„Zudem können wir aufgrund der Parameter des Experiments vorhersagen, wann und wo die Magnetisierungs-Umkehrung beginnt und wo sie endet“, fügt Gambardella hinzu. In anderen Verfahren wird die Umkehrung zwar ebenfalls durch elektrischen Strom angetrieben, ausgelöst aber wird sie durch thermische Fluktuationen im Material, wodurch der Zeitpunkt der Umkehrung starken Schwankungen unterliegt.
Mögliche Anwendungen in Arbeitsspeichern
Bis zu einer Billion Umkehr-Pulse schickten die Forscher mit einer Frequenz von 20 Megahertz durch den Kobalt-Punkt, ohne dass die Qualität der Magnetisierungs-Umkehrung darunter litt.
„Das lässt uns hoffen, dass unsere Technologie für Anwendungen in magnetischen RAM geeignet ist“, sagt Gambardellas ehemaliger Postdoktorand Kevin Garello, ebenfalls Erstautor der Studie.
Als ersten Schritt in diese Richtung wollen die Forscher ihre Materialien so nazupassen, dass die Umkehrung noch schneller und mit geringeren Stromstärken funktioniert. Unter anderem soll dies durch eine verbesserte Form der Kobalt-Punkte erreicht werden. Im Moment sind diese rund, doch andere Formen wie Ellipsen oder Rauten könnten die Magnetisierungs-Umkehrung noch effizienter machen, wie die Wissenschaftler sagen. Mit magnetischen RAM würde unter anderem das Laden des Betriebssystems beim Hochfahren eines Computers überflüssig – die entsprechenden Programme blieben dann auch ohne Stromzufuhr im Arbeitsspeicher erhalten.
