Physikerinnen und Physiker aus der Schweiz, Deutschland und der Ukraine haben einen Vorschlag für ein neuartiges Speichermedium ausgearbeitet. Der Ansatz beruht auf besonderen Eigenschaften antiferromagnetischer Materialien, welche die Forschenden erstmals experimentell untersucht haben.

Einem internationalen Forschungsteam ist es gelungen, bestimmte physikalische Eigenschaften eines Antiferromagneten erstmals mithilfe von Quantensensoren auf der Nanometerskala zu untersuchen. Auf der Basis ihrer Ergebnisse stellen sie im Fachmagazin «Nature Physics» ein Konzept für ein neues Speichermedium vor. Geleitet wurde die Arbeit durch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel.

Antiferromagnete machen 90 Prozent aller magnetisch geordneten Materialien aus. Anders als bei Ferromagneten wie Eisen, bei denen das magnetische Moment der Atome parallel ausgerichtet ist, wechselt bei Antiferromagneten die Ausrichtung des magnetischen Moments zwischen benachbarten Atomen. Deshalb erzeugen antiferromagnetische Materialien kein äusseres magnetisches Feld und erscheinen als nicht magnetisch, da sich durch die wechselnde Ausrichtung der Momente das magnetische Moment aufhebt.

Antiferromagnete versprechen spannende Anwendungen in der Informationsverarbeitung, da die Ausrichtung ihres magnetischen Moments, im Gegensatz zu Ferromagneten in konventionellen Speichermedien, nicht versehentlich durch magnetische Felder überschrieben werden kann. Daher hat sich in den letzten Jahren das neue Forschungsgebiet der antiferromagnetischen Spintronik entwickelt, in dem weltweit zahlreiche Forschungsgruppen aktiv sind.

Quantensensoren verschaffen neue Einblicke
In Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Dr. Denys Makarov (Helmholtz-Zentrum in Dresden, Deutschland) und Prof. Dr. Denis D. Sheka (Taras Shevchenko National University of Kyiv, Ukraine) hat das Team von Prof. Dr. Patrick Maletinsky aus Basel einen Einkristall von Chrom(III)-oxid (Cr₂O₃) untersucht. Der Einkristall ist ein nahezu perfekt geordnetes System mit sehr wenigen Defekten, bei dem die Atome in einem regelmässigen Kristallgitter angeordnet sind. «Wir können den Einkristall so verändern, dass wir zwei Bereiche (Domänen) schaffen, die sich in der Ausrichtung der antiferromagnetischen Ordnung unterscheiden», erklärt Natascha Hedrich, Erstautorin der Studie.

Getrennt werden diese beiden Domänen durch eine Domänenwand. Solche Domänenwände in Antiferromagneten liessen sich bisher nur in Einzelfällen und nicht im Detail experimentell untersuchen. «Da unsere Quantensensoren sehr sensitiv sind und eine exzellente Auflösung besitzen, konnten wir nun experimentell zeigen, dass sich die Domänenwand ähnlich wie eine Seifenblase verhält», erklärt Maletinsky. Wie eine Seifenblase ist die Domänenwand elastisch und bestrebt ihre Spannungsenergie zu minimieren. Ihr Verlauf gibt damit Aufschluss über die antiferromagnetischen Materialeigenschaften und lässt sich präzise voraussagen, wie auch Simulationen der Forschenden aus Dresden gezeigt haben.

Oberflächenarchitektur beeinflusst Verlauf
Diese Eigenschaft nutzten die Forschenden, um den Verlauf der Domänenwand zu manipulieren und damit den Vorschlag für ein neuartiges Speichermedium zu entwickeln. Dazu strukturiert das Maletinsky-Team die Oberfläche des Einkristalls gezielt auf der Nanoskala, sodass winzige, quadratische Erhebungen bleiben. Diese verändern dann den Verlauf der Domänenwand im Kristall in einer kontrollierten Art und Weise.

Mithilfe der Anordnung dieser Erhebungen können die Forschenden die Domänenwand so dirigieren, dass diese entweder auf der einen oder auf der anderen Seite einer Erhebung verläuft. Und genau dies ist die Grundlage für das Konzept des neuartigen Speichermediums: Verläuft die Domänenwand «rechts» von einer Erhebung könnte dies für 1 stehen, bei einem Verlauf «links» davon dagegen für 0.

Durch lokales Erhitzen über einen Laser, lässt sich der Verlauf der Domänenwand jedoch immer wieder verschieben, was die Grundlage für ein wieder verwendbares Speichermedium liefert.

«Wir werden jetzt untersuchen, ob sich die Domänenwände auch durch elektrische Felder verschieben lassen», erläutert Maletinsky. «Wenn dies gelingt, haben wir mit einem Antiferromagneten ein Speichermedium zur Hand, dass schneller ist als herkömmliche ferromagnetische Systeme und zudem deutlich weniger Energie verbraucht.»

Originalpublikation
Natascha Hedrich, Kai Wagner, Oleksandr V. Pylypovskyi, Brendan J. Shields, Tobias Kosub, Denis D. Sheka, Denys Makarov, and Patrick Maletinsky
Nanoscale mechanics of antiferromagnetic domain walls
Nature Physics (2021), doi: 10.1038/s41567-020-01157-0

Weitere Auskünfte
Prof. Dr. Patrick Maletinsky, Universität Basel, Departement Physik, Swiss Nanoscience Institute, Tel. +41 61 207 37 63, E-Mail: patrick.maletinsky@clutterunibas.ch