Winzige Zylinderdomänen: Tür zu innovativen Technologien und neuronalen Netzwerken

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), der TU Chemnitz, der TU Dresden und dem Forschungszentrum Jülich haben in einer gemeinsamen Studie gezeigt, dass es möglich ist, nicht nur einzelne Bits, sondern auch ganze Sequenzen von Bits in winzigen zylinderförmigen Bereichen zu speichern. Diese Bereiche, auch Zylinderdomänen oder bubble domains genannt, haben einen Durchmesser von nur etwa 100 Nanometern.

In einem Artikel in der Fachzeitschrift Advanced Electronic Materials berichtet das Forschungsteam von den möglichen Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf die Entwicklung innovativer Speicher- und Sensortechnologien, einschließlich magnetischer Varianten von neuronalen Netzwerken.

Eine Zylinderdomäne ist ein winziger, zylinderförmiger Bereich in einer dünnen magnetischen Schicht, in dem die Eigendrehimpulse der Elektronen, die das magnetische Moment im Material erzeugen, auf eine spezielle Weise ausgerichtet sind. Dadurch weist dieser Bereich eine abweichende Magnetisierung im Vergleich zur umliegenden Umgebung auf.

Prof. Olav Hellwig vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung beschreibt den Forschungsgegenstand seines Teams als eine kleine, zylinderförmige magnetische Blase, die in einem Meer mit entgegengesetzt orientierter Magnetisierung schwebt. An den Grenzen dieser Zylinderdomäne bilden sich Domänenwände, in denen sich die Ausrichtung der Magnetisierung verändert.

Für die angestrebte Magnet-Speichertechnik ist es von entscheidender Bedeutung, die Spin-Struktur in der Domänenwand präzise zu kontrollieren. Die Ausrichtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn kann direkt zur Codierung von Bits verwendet werden.

Die Forscherinnen und Forscher konzentrieren sich auch darauf, die Speicherkapazität dreidimensional zu erweitern. Aktuelle Festplatten haben Spurbreiten von 30 bis 40 Nanometern und Bitlängen von 15 bis 20 Nanometern. Durch die Erweiterung in die dritte Dimension könnte diese Begrenzung der Datendichte aufgelöst werden.

Eine Möglichkeit, die interne Spin-Struktur der Domänenwände zu kontrollieren, besteht darin, magnetische Mehrschichtstrukturen zu verwenden. Diese Strukturen ermöglichen die Einstellung der magnetischen Energien durch das Zusammenspiel verschiedener Materialien und Schichtdicken.

Das Forschungsteam um Prof. Hellwig hat auf Silizium-Wafern Blöcke aus abwechselnden Lagen von Cobalt und Platin aufgetragen, die durch Ruthenium-Schichten voneinander getrennt sind. Diese Struktur wird als Metamaterial bezeichnet und gehört zur Gruppe der synthetischen Antiferromagneten. Besonders an ihnen ist ihre vertikale Magnetisierungsstruktur, bei der Schicht-Blöcke übereinanderliegend eine entgegengesetzte Magnetisierungsrichtung aufweisen, was zu einer insgesamt neutralen Magnetisierung führt.

Das Konzept des Racetrack-Speichers wird in diesem Zusammenhang relevant. Dieses System kann man sich ähnlich wie eine Autorennstrecke vorstellen, entlang derer die Bits wie Perlen auf einer Kette angeordnet sind. Durch die gezielte Steuerung der Schichtdicke und somit der magnetischen Eigenschaften des synthetischen Antiferromagneten können nicht nur einzelne Bits, sondern auch ganze Sequenzen von Bits in Form von Domänenwänden mit einer Richtung abhängig von der Tiefe gespeichert werden.

In Zukunft wird es möglich sein, solche Multi-Bit-Zylinderdomänen entlang dieser magnetischen Daten-Autobahnen kontrolliert, schnell und energieeffizient zu transportieren. Darüber hinaus eröffnen sich weitere Möglichkeiten in der Magnetoelektronik, beispielsweise in magnetoresistiven Sensoren oder Spintronik-Komponenten.

Des Weiteren bergen solche komplexen magnetischen Nano-Objekte ein erhebliches Potenzial für die Umsetzung magnetischer neuronaler Netzwerke, die Daten ähnlich wie das menschliche Gehirn verarbeiten könnten.

Schlagwörter: Olav Hellwig + Dresden-Rossendorf + HZDR

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