Mini-Magnetwirbel als Speicher der Zukunft?

Ein vor 80 Jahren postuliertes physikalisches Phänomen könnte neuartige, extrem kompakte und langlebige Datenspeicher ermöglichen: Forscher haben herausgefunden, dass sogenannte Skrymionen, eine Art magnetischer Miniwirbel, sehr stabil sind und sich auf einem Speichermaterial verschieben und löschen lassen. Dadurch könnten sie magnetische Daten noch kompakter speichern als konventionelle Magnetspeicher, wie die Physiker im Fachmagazin „Science“ berichten.

Jeder kennt den Schulversuch, bei dem Eisenspäne auf ein Blatt Papier verteilt werden, unter dem ein Stabmagnet liegt. Die Späne ordnen sich dabei entlang der Feldlinien aus und zeigen Nord- und Südpol des Magneten. Egal wie oft man ihn teilt: Ein Stabmagnet weist dabei immer einen Nord- und einen Südpol auf. Anfang der 1930er-Jahre jedoch postulierte der Physiker Paul Dirac ein Teilchen, das als magnetisches Pendant des Elektrons nur einen der beiden Pole besitzen und nur eine magnetische Elementarladung tragen sollte, den sogenannten Monopol.

Magnetische Minitornados

2009 dann entdeckten Forscher noch ein magnetisches Phänomen: Skyrmionen. Dabei handelt es sich um winzige Wirbel, die unter bestimmten Bedingungen in den Feldern um magnetische Materialien auftreten. Dabei ordnen sich die Spins der Oberflächenatome so an, dass sie spiralige Wirbel bilden.

Um diese Mini-Wirbel zu beobachten, nutzten Christian Pfleiderer von der TU München und seine Kollegen nun ein Magnet-Kraftmikroskop. Als sie mit diesem Mikroskop die Oberfläche einer Eisen-Kobalt-Silizium-Verbindung abtasteten, beobachteten sie die Wirbel nicht nur zum ersten Mal direkt. Es zeigte sich auch, dass benachbarte Skyrmionen miteinander verschmelzen, wenn man das Magnetfeld gezielt manipuliert. Um herauszufinden, warum dies geschah, suchten die Physiker dann mittels Computersimulationen nach der Ursache.

Verschmelzen zweier Wirbelschläuche, sogenannter Skyrmionen, in der magnetischen Struktur einer Substanz. Der Verschmelzungspunkt besitzt die Eigenschaften eines magnetischen Monopols. Durch die Bewegung des Monopols entlang der Wirbelschläuche verschwinden oder entstehen Skyrmionen. © Ch. Schütte/ Universität Köln

Es zeigte sich, dass hier magnetische Monopole am Werk waren, die die Wirbel wie einen Reißverschluss zusammen ziehen. An der Kontaktstelle der beiden Skyrmionen bildet sich dabei eine Art Antimonopol, der ihre magnetische Ladung löscht und so die Verschmelzung beider Wirbelschläuche ermöglicht. Wie die Forscher erklären, hat dies bedeutende Folgen für die mögliche Nutzung solcher Magnetwirbel. Denn wenn sich mit Hilfe von Monopolen ihre Form ändern lässt, dann könnte man eine in Form von Skyrmionen gespeicherte Informationen künftig nicht nur lesen, sondern sie auch wieder gezielt löschen.

Kompakte und langlebige Datenspeicher

Eine wichtige Anwendung der magnetischen Wirbel könnten zukünftige, extrem kompakte und langlebige Datenspeicher sein. Während man für ein magnetisches Speicherbit einer modernen Festplatte etwa eine Million Atome braucht, sind die kleinsten bekannten Skyrmionen in magnetischen Materialien nur etwa 15 Atome groß. Gleichzeitig benötigt das Verschieben der Wirbel 100.000 Mal weniger Strom als das Verschieben magnetischer Speicherbits auf der Basis konventioneller magnetischer Materialien, so dass man Informationen so besonders kontrolliert verarbeiten könnte.

Die vielleicht interessanteste Eigenschaft der Skyrmionen ist jedoch, dass sie wie ein Knoten in einer Schnur, besonders stabil sind. „Waren zunächst extrem tiefe Temperaturen nötig, so sind heute auch Materialien bekannt, in denen Skyrmionen bei Raumtemperatur auftreten“, sagt Pfleiderer. Dadurch wird eine konkrete Anwendung deutlich einfacher und machbarer. (Science, 2013; doi: 10.1126/science.1234657)

(TU München, 31.05.2013 – NPO)