Forscher erschaffen Nanowirbelstrukturen in antiferromagnetischen Materialien

Künstlerische Darstellung einer Gruppe von antiferromagnetischen Wirbeln in Eisenoxid. (Credit: R. Shetty, K. Jani, H.Jani)
Künstlerische Darstellung einer Gruppe von antiferromagnetischen Wirbeln in Eisenoxid. (Credit: R. Shetty, K. Jani, H.Jani)

Die heutige digitale Welt generiert jede Sekunde riesige Datenmengen. Daher gibt es Bedarf für Speicherchips, die mehr Daten in weniger Raum speichern können und die Fähigkeit haben, Daten schneller zu lesen und zu schreiben, aber dafür weniger Energie verbrauchen.

Forscher der National University of Singapore (NUS) haben in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern der University of Oxford, der Diamond Light Source und der University of Wisconsin in Madison jetzt ein ultradünnes Material mit einzigartigen Eigenschaften entwickelt, das letztendlich manche dieser Ziele erreichen könnten. Ihre Ergebnisse wurden am 4. Februar 2021 online im Journal Nature veröffentlicht.

Daten in Antiferromagneten speichern

In existierenden ferromagnetischen Speichergeräten wie Festplatten werden die Informationen in bestimmten Mustern (Bits) gespeichert, in denen alle kleinen Magnetpole in die gleiche Richtung weisen. Diese Anordnung macht sie langsam und anfällig für Beschädigungen durch äußere Magnetfelder. Im Gegensatz dazu besteht die Materialklasse der Antiferromagnete aus Magnetpolen, die bei benachbarten Atomen entgegengesetzt gepolt sind. Diese Eigenschaft könnte für zukünftige Speichertechnologien wichtig sein.

Insbesondere gibt es viel Interesse an der Erschaffung spezieller magnetischer Nanomuster in Antiferromagneten, die wie Wirbel geformt sind. Jedes Muster besteht im Grunde aus vielen kleinen Magnetpolen, die sich im oder gegen den Uhrzeigersinn um eine zentrale Kernregion winden, ähnlich wie die Luft in einem Tornado oder Wirbelwind zirkuliert. Experimentell realisiert, wären Kombinationen dieser Antiferromagnetwirbel recht nützlich, weil es sehr stabile Strukturen sind, und weil sie möglicherweise mit mehreren Kilometern pro Sekunde entlang magnetischer „Rennstrecken“ bewegt werden können.

Sie könnten als neue Art Informationsbits dienen, die nicht nur speichern, sondern auch an Berechnungen teilnehmen. Dadurch würden sie eine neue Generation an Chips ermöglichen, die deutlich schneller und trotzdem energieeffizienter als heutige Geräte sind.

Experimentelle Entdeckung von Wirbeln

Bislang war die Konstruktion und Manipulation von Mustern in antiferromagnetischen Materialien sehr anspruchsvoll, weil sie aus der Ferne fast unmagnetisch erscheinen. „Standardansätze zur Kontrolle wie die Anwendung externer Felder funktionieren mit diesen Materialien nicht. Um diese antiferromagnetischen Wirbel zu realisieren, erdachten wir eine neue Strategie, die die hochqualitative Filmsynthese aus der Materialtechnik, Phasenübergänge aus der Physik und Topologie aus der Mathematik kombinierte“, erklärte Dr. Hariom Jani, der Hauptautor der Studie und Mitarbeiter am Department of Physics der NUS.

Um diese Materialien zu erstellen feuerten die Forscher einen Laser auf ein extrem häufiges und günstiges Material – Eisenoxid, der Hauptbestandteil von Rost. Durch die ultrakurzen Laserimpulse erschufen sie einen heißen Dampf aus atomaren Teilchen, die einen dünnen Eisenoxidfilm auf einer Oberfläche bildeten.

Professor Thirumalai Venky Venkatesan, der Leiter der NUS-Gruppe und Erfinder des laserbasierten Filmsyntheseprozesses, betonte die Vielseitigkeit des Ansatzes. „Der Ablagerungsprozess erlaubt die präzise Kontrolle des Wachstums auf atomarem Level, was wichtig für die Produktion hochqualitativer Materialien ist. Unsere Arbeit verweist auf eine große Klasse antiferromagnetischer Materialsysteme, die Phasenübergänge zeigen, bei denen man die Bildung und Steuerung dieser Wirbel für technologische Anwendungen untersuchen kann“, sagte er.

„Wir zogen Inspiration aus einer in der kosmologischen Physik gefeierten Theorie, die fast 50 Jahre alt ist. Sie besagte, dass ein Phasenübergang im jungen Universum während der Expansion nach dem Urknall in der Entstehung kosmischer Wirbel resultiert sein könnte. Dementsprechend untersuchten wir einen analogen magnetischen Prozess, der in hochqualitativem Eisenoxid auftritt. Das erlaubte uns, eine große Familie antiferromagnetischer Wirbel zu erschaffen“, erklärte Professor Paolo Radelli, der Leiter der Oxford-Gruppe.

Der nächste Schritt des Teams besteht darin, innovative Stromkreise zu konstruieren, die die Wirbel elektrisch steuern können.

Quelle

(THK)

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