Peter Grünberg Institut (PGI)

Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)

Magnetisches Schalten vereinfacht

30. Juli 2013

Ein internationales Forscherteam hat einen neuen physikalischen Effekt beschrieben, mit dem sich effizientere Magnet-Chips für die Informationsverarbeitung entwickeln lassen könnten. Der quantenmechanische Effekt ermöglicht, so genannte spinpolarisierte Ströme einfacher zu erzeugen, die zum Schalten von magnetisch gespeicherten Informationen nötig sind. Die Forschungsergebnisse hat die renommierte Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ am vergangenen Wochenende online veröffentlicht (DOI:10.1038/NNANO.2013.145).

Arbeitsspeicher sind das Kurzzeitgedächtnis von Computern. Sie speichern die aktuell benutzten Programme und Dateien elektronisch in vielen winzigen Kondensatoren zwischen. Weil Kondensatoren sich mit der Zeit entladen, müssen sie regelmäßig neu geladen werden, damit keine Daten verloren gehen. Das kostet Energie und Zeit und ein ungeplanter Stromausfall kann zu unwiederbringlichem Datenverlust führen.

So genannte MRAMs (Magnetic Random Access Memories) dagegen speichern die Informationen in winzigen magnetischen Bereichen. Das funktioniert schnell und ohne ständige Stromzufuhr. Trotzdem haben sich MRAMs nicht auf breiter Front durchsetzen können, da ihre Integrationsdichte noch zu gering ist und ihr Stromverbrauch zu hoch, ihre Produktion aufwändig ist und ihr Preis hoch.

Einer der Gründe ist, dass spinpolarisierte Ströme, kurz Spinströme benötigt werden, um die magnetischen Bereiche der MRAMs zu schalten. Der Spin ist der Eigendrehimpuls der Elektronen, der Materialien ihre magnetischen Eigenschaften verleiht, und in zwei Richtungen zeigen kann. Spinströme sind elektrische Ströme mit nur einer der zwei Spinsorten. Ähnlich, wie das Magnetfeld der Erde die Nadel eines Kompasses beeinflusst, wirkt ein Strom einer Sorte Spins auf eine Magnetschicht und kann sie zum Umklappen bewegen.

Um Spinströme zu erzeugen, filtert man bisher die gewünschte Sorte Spins aus normalem elektrischem Strom heraus. Das bedarf spezieller Filterstrukturen und hoher Stromdichten. Mit dem Effekt, den Forscher aus Jülich, Barcelona, Grenoble und Zürich nun aufgedeckt haben, könnten magnetische Informationen einfacher geschaltet werden.

„Wir benötigen keinen Spinfilter mehr, sondern erzeugen den Spinstrom direkt dort, wo er auch gebraucht wird. Ein Schichtstapel aus Kobalt und Platin reicht dafür “, erläutert Dr. Frank Freimuth vom Peter Grünberg Institut und Institute for Advanced Simulation am Forschungszentrum Jülich. Das verringert den Platzbedarf, macht das System robuster und kann die Produktion von Magnet-Chips vereinfachen.

Ein elektrischer Strom, an der Grenzfläche durch den Stapel geleitet, trennt die Spins der Platinschicht auf und leitet nur eine Sorte in die magnetische Kobaltschicht. Dort entsteht ein Drehmoment, das die Magnetisierung umkehren kann. „Spin-Drehmomente in Zweilagensystemen waren bereits in den vergangenen Jahren beobachtet worden“, berichtet der Physiker und Mitarbeiter der Nachwuchsgruppe „Topologische Nanoelektronik“ unter der Leitung von Prof. Yuriy Mokrousov. „Dass wir erstmals schlüssig erklären können, wie sie entstehen, ist ein wissenschaftlicher Durchbruch, denn dadurch erst können wir sie gezielt erzeugen und genauer untersuchen.“

Die Forscher haben zwei Mechanismen ausgemacht, aus denen sich der neue Effekt zusammensetzt, den sie Spin-Bahn-Drehmoment getauft haben: die so genannte Spin-Bahn-Kopplung und die Austauschwechselwirkung. Die Spin-Bahn-Kopplung ist ein bekanntes relativistisches Quantenphänomen und der Grund dafür, dass alle Elektronenspins einer Sorte sich von der Platin- in die Kobaltschicht bewegen. In der Kobaltschicht wechselwirkt dann die magnetische Ausrichtung der Schicht mit den Spins über die Austauschwechselwirkung

Die Qualität ihrer Theorie testeten die Forscher erfolgreich in Experimenten. Im nächsten Schritt möchten sie den Effekt in anderen Materialien mit stärkerer Spin-Bahn-Kopplung berechnen, um herauszufinden, welche Materialkombinationen den Effekt noch deutlicher zeigen.