TUM-Physiker entdecken mit Neutronen neue Wege zur Datenspeicherung

TUM-Physiker entdecken mit Neutronen neue Wege zur Datenspeicherung

Schneller, kleiner und energiesparender sollen die Rechner der Zukunft sein. Dazu müssen die Daten schneller geschrieben und verarbeitet werden. Diesem Ziel sind Physiker der Technischen Universität München (TUM) und der Universität zu Köln nun ein großes Stück näher gekommen. Die Experimentalphysiker der TUM setzten in einem Material ein Gitter aus magnetischen Wirbeln mit einem elektrischen Strom in Bewegung, der fast eine Million Mal schwächer war als in früheren Studien. Beobachtet haben sie die Koppelung zwischen elektrischem Strom und magnetischer Struktur, über die sie jetzt in der Fachzeitschrift Science berichten, mit Messungen an der Forschungs-Neutronenquelle FRM II der TUM.

@@

Ein Elektron (schwarze Kugel) fliegt über ein Gitter von magnetischen Wirbeln. Die dabei übertragenen Kräfte erlauben es, die magnetischen Strukturen mit relativ kleinen Strömen zu kontrollieren. (Copyright Prof. A. Rosch / Universität Köln, W. Schürmann / TUM)

Während Peter Grünberg und Albert Fert den Nobelpreis 2007 noch für Arbeiten erhielten, die zu einem bedeutend schnelleren Auslesen von Daten führten, konzentriert sich die Forschung seit einigen Jahren auf die Frage, wie man magnetische Informationen durch elektrische Ströme direkt in Materialien schreiben kann. Problematisch waren bei solchen Arbeiten jedoch bislang die erforderlichen extrem hohen Stromstärken, deren Nebeneffekte selbst in Nanostrukturen kaum zu bändigen waren.

Vor etwas mehr als einem Jahr entdeckten Professor Christian Pfleiderer und sein Team vom Physik-Department der TUM in einem Kristall aus Mangansilizium eine völlig neuartige magnetische Struktur, ein Gitter aus magnetischen Wirbeln. Angeregt wurden die Experimente in Garching durch theoretische Vorhersagen von Professor Achim Rosch an der Universität zu Köln und Professor Rembert Duine an der Universität Utrecht. Sie erwarteten sich neue Ergebnisse im Bereich der sogenannten Spintronics, Nanoelektronik-Bausteine, die nicht nur die elektrische Ladung von Elektronen sondern auch ihr magnetisches Moment, den Spin, zur Informationsverarbeitung nutzen.

Als die Wissenschaftler um Christian Pfleiderer einen elektrischen Strom durch das Material Mangansilizium schickten, beobachteten sie mit Hilfe von Neutronen am FRM II eine Drehung des Gitters aus magnetischen Wirbeln, die aber zunächst unerklärt blieb. Interessanter als die Drehung war das neu entdeckte magnetische Gitter (Science, Vol. 323, 5916 pp. 915-919, s.u.).

In der Folge versuchten Christian Pfleiderer und sein Team mit weiteren Messungen am Instrument MIRA der Neutronenquelle aufzuklären, warum sich das Gitter unter Strom dreht. Die Berechnungen der Theoretiker widersprachen anfangs den Ergebnissen der Experimente in Garching. „Die magnetische Struktur dreht sich, weil die Richtung des elektrischen Stroms äußerst effizient quantenmechanisch abgelenkt wird“, erklärt Christian Pfleiderer. Wenn ein Elektron durch den magnetischen Wirbel fliegt, orientiert sich der Elektronenspin an dem Wirbel (siehe Animation). So erzeugt der elektrische Strom eine Kraft auf die magnetischen Wirbel, die diese schließlich zum Fließen bringt.

Nach weiteren Messungen stellte das Team um Christian Pfleiderer und Achim Rosch schließlich fest, dass die neu entdeckten Gitter aus magnetischen Wirbeln Eigenschaften besitzen, die in der Nanotechnologie schon länger von Interesse sind und unter anderem zu neuen Datenspeichern führen könnten. Insbesondere sind die magnetischen Wirbel sehr stabil und zugleich extrem schwach im Material verankert, so dass schon kleinste elektrische Ströme Verschiebungen ermöglichen. Auf diese Weise könnten Daten in Zukunft erheblich schneller und effizienter geschrieben und verarbeitet werden.

Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG, SFB 608, TRR 80, SFB/TR 12), der Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, der Deutsche Telekom Stiftung, dem European Research Council (ERC) und der National Science Foundation der USA.

 

Original-Veröffentlichung

F. Jonietz, S. Mühlbauer, C. Pfleiderer, A. Neubauer, W. Münzer, A. Bauer, T. Adams, R. Georgii, P. Böni, R. A. Duine, K. Everschor, M. Garst, A. Rosch, Spin Transfer Torques in MnSi at Ultra-low Current Densities, Science, 330, 6011, pp. 1648-1651
DOI: 10.1126/science.1195709

Publikation über die Entdeckung der Skyrmionengitter

Skyrmion Lattice in a Chiral Magnet; S. Mühlbauer, B. Binz, F. Jonietz, C. Pfleiderer, A. Rosch, A. Neubauer, R. Georgii, P. Böni, Science, Vol. 323 no. 5916 pp. 915-919, 13 February 2009.
DOI: 10.1126/science.1166767

Kontakt

Prof. Dr. Christian Pfleiderer
Physik-Department 
Technische Universität München
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Germany
Tel.: +49 89 289 - 14720
E-Mail: christian.pfleiderer@frm2.tum.de
Internet: http://www.e21.ph.tum.de

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.