Ein feiner Schreibstift für magnetische Nanospeicher

Bei der Erforschung magnetischer Nanostrukturen arbeiten Experimentatoren und theoretische Physiker eng zusammen. Zu Letzteren gehören Ingrid Mertig und Arthur Ernst vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle an der Saale. Die beiden Wissenschaftler erforschen, wie sich Daten in Zukunft auf immer kleinerem Raum schreiben und lesen lassen.

In welchem Material ist die Magnetisierung am stärksten? Arthur Ernst, Ingrid Mertig, Sergey Ostanin und Michael Fechner (von links) untersuchen, welche Zusammensetzung der Nanoinseln die stärkste magnetoelektrische Kopplung ergibt. © MPI für Mikrostrukturphysik – Martin Hölzer

In der herkömmlichen Technik gibt ein Schreibkopf Magnetfeldpulse ab und magnetisiert so die darunterliegenden Speicherzellen. „Diese Technik ist aber weitgehend ausgereizt“, sagt Mertig. Denn Magnetfelder lassen sich nicht auf eine beliebig kleine Fläche konzentrieren. Werden die magnetischen Bits zu klein, beeinflusst das Magnetfeld beim Beschreiben einer Zelle deren Nachbarzellen − so als versuchte man, mit einem dicken Filzschreiber ein Karo auf einem Millimeterpapier auszumalen; dabei dürften unweigerlich auch Nachbarkaros Farbe abbekommen.

Filzstift schreibt mit leerer Mine

Die Hallenser Forscher verwenden daher als besonders feinen Schreibstift elektrische Felder. „Diese lassen sich viel schärfer fokussieren als Magnetfelder“, erläutert Mertig. Der Haken: Ein elektrisches Feld kann nicht in ein Metall eindringen, weil es an der Oberfläche des Metalls eine Ladung induziert, die das Feld abschirmt. Der feine Filzstift schreibt also gewissermaßen mit leerer Mine. Anders sieht die Sache in einer äußerst dünnen Metallschicht aus, einer Schicht nämlich, die aus lediglich zwei Atomlagen besteht und somit 100.000-mal dünner ist als ein menschliches Haar. In einer solchen Schicht kann ein elektrisches Feld unter Umständen die Magnetisierung der Schicht beeinflussen. Der entsprechende Effekt, den Ingrid Mertig und Arthur Ernst seit einigen Jahren erforschen, heißt im Fachjargon magnetoelektrische Kopplung.

Magnetoelektrische Kopplung

Der Effekt funktioniert, grob gesprochen, wie folgt: Ein starkes elektrisches Feld verschiebt die freien Elektronen in der Schicht − je nach Polung des Feldes drückt es sie tiefer in die Schicht hinein oder zieht sie ein Stück weit aus ihr heraus. Dies führt dazu, dass sich die Abstoßung zwischen den positiv geladenen Atomrümpfen abschwächt oder verstärkt. Je nach Polung des elektrischen Feldes rücken die beiden Atomlagen der Schichten deshalb um einige milliardstel Millimeter dichter zusammen oder entfernen sich voneinander.

Wie die Hallenser Forscher in ihren numerischen Rechnungen herausfanden, wirkt sich der Atomabstand über die quantenmechanische Austauschwechselwirkung darauf aus, ob die Doppelschicht den ferromagnetischen oder den antiferromagnetischen Zustand annimmt. Sie hatten daher die Idee, mit einem elektrischen Feld, das die Abstände ändert, die Magnetisierung der Schicht von ferromagnetisch auf antiferromagnetisch umzuschalten und umgekehrt. Auf diese Weise könnte ein Bit von der Null auf die Eins wechseln.

Die Speicherdichte könnte 400-fach erhöht werden

Tatsächlich haben die Theoretiker aus Halle gemeinsam mit Experimentatoren des Karlsruher Instituts für Technologie kürzlich mit einem elektrischen Feld magnetische Information in nur wenige Nanometer große Eiseninseln geschrieben. Eine Insel bestand aus zwei Lagen von Eisenatomen auf einer Kupferunterlage. Als Schreibstift benutzte das Karlsruher Team unter Leitung von Wulf Wulfhekel ein Rastertunnelmikroskop. An dessen Spitze, die in einem einzigen Atom endet, entsteht ein äußerst starkes elektrisches Feld von einer Milliarde Volt pro Meter.

Das Feld schaltete das Eiseninselchen vom ferro- in den antiferromagnetischen Zustand oder umgekehrt. Gelesen haben die Forscher den Magnetisierungszustand der Insel, indem sie aufzeichneten, wie sich mit der angelegten Spannung der Stromfluss von der Insel in die Spitze des Rastertunnelmikroskops ändert. Die resultierende Strom-Spannung-Kennlinie unterscheidet sich für die beiden Zustände nämlich deutlich.

Nanoinseln für hohe Speicherdichten: In zwei Atomlagen aus Eisen, die auf einer Kupferunterlage aufgebracht sind, lässt sich die Magnetisierung mit einem elektrischen Feld ändern, das man schärfer fokussieren kann als ein magnetisches. © MPI für Mikrostrukturphysik

Ein Eiseninselchen aus 300 Eisenatomen

Das Eiseninselchen besteht aus nur rund 300 Eisenatomen − die Forscher kommen Feynmans Traum damit also schon sehr nahe. Ein Speichermedium, das auf dieser Technik basiert, könnte Daten 400-mal dichter speichern als heutige Datenträger. Obwohl die Eiseninseln so winzig sind, bleibt ihre Magnetisierung stabil. Arthur Ernst kennt aus seinen theoretischen Berechnungen den Grund: „Zwischen den beiden magnetischen Zuständen liegt eine sehr hohe Energiebarriere, die man nur mit dem hohen elektrischen Feld überwinden kann.“ Dazu komme, dass die Zustände selbst etwa die gleiche Energie besitzen − wie zwei gleich tiefe Alpentäler, die durch ein hohes Gebirgsmassiv voneinander getrennt sind. Das System wechselt also nicht spontan von einem in den anderen Zustand, weil es dadurch kaum Energie gewönne.

Computermodelle als Instrumente in einer Art virtuellem Labor

Ihre Computermodelle dienen den Hallenser Theoretikern als Instrumente in einer Art virtuellem Labor. Sie berechnen damit beispielsweise, wie die magneto-elektrische Kopplung von der Zusammensetzung sowohl der Doppelschicht als auch der Unterlage abhängt. So finden sie die optimale Materialkombination, ohne aufwändige Experimente im Labor zu machen.

„Der Unterschied in der Magnetisierung zwischen den beiden Zuständen sollte für eine technische Anwendung möglichst groß sein“, sagt Mertig. „Wir haben berechnet, dass eine Eisen-Kobalt-Legierung mit 25 Prozent Kobalt ein großes magnetisches Signal liefert“, sagt die Physikerin. Im Moment arbeiten die Hallenser Forscher mit Experimentalphysikern daran, diese Vorhersage experimentell zu testen. Mertig ist zuversichtlich: „Die Vorhersagekraft unserer Modelle hat sich in der Vergangenheit als sehr hoch erwiesen.“

Christian Meier / MaxPlanckForschung
Stand: 21.10.2011