Neues Material für Datenspeicher

Jan Oliver Löfken

Auf konventionellen Festplatten werden Daten gespeichert, indem ein winziger Elektromagnet bestimmte Bereiche einer rotierenden Scheibe magnetisiert. Auf der Suche nach neuen Materialien für solche Magnetspeicher entdeckten Physiker nun bei der chemischen Verbindung Chromiodid besondere magnetische Eigenschaften. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Materials“ berichten, konnten sie die Magnetisierung extrem dünner, zweidimensionaler Schichten der Struktur mit elektrischen Feldern kontrollieren.

Zweiteilige Grafik einer Chromiodid-Doppelschicht: Oben zeigen die Pfeile für die magnetischen Momente paarweise in die entgegengesetzte Richtung. Im unteren Teil der Illustration zeigen alle Pfeile nach oben.

Magnetische Eigenschaften von Chromiodid

Zunächst entfernten Kin Fai Mak von der Cornell University in Ithaca und seine Kollegen eine Doppelschicht der kristallinen Verbindung Chromiodid von einem größeren Festkörper. Die beiden atomar dünnen Schichten umhüllten die Forscher mit elektrisch leitfähigen Schichten aus Graphen. So entstand ein etwa 40 Nanometer dickes Material, dessen magnetischen und elektrischen Eigenschaften die Wissenschaftler genauer untersuchten. „Normalerweise zeigt ein Magnet auf eine elektrische Spannung keine Reaktion“, sagt Mak. Legten die Forscher eine elektrische Spannung von weniger als einem Volt pro Nanometer an das Material an, beobachteten sie jedoch einen bestimmten magnetoelektrischen Effekt: Das magnetische Moment eines jeden Chromatoms im Kristall – das man sich wie einen kleinen Stabmagneten vorstellen kann – richtete sich aufgrund des elektrischen Feldes aus. Ohne Schaltspannung zeigten die magnetischen Momente zunächst in entgegengesetzte Richtungen – das Material war antiferromagnetisch. Wirkte allerdings ein elektrisches Feld auf die kristalline Struktur, zeigten alle magnetischen Momente in die gleiche Richtung – das Material wechselte in einen ferromagnetischen Zustand.

Dieser Wechsel zwischen einem antiferromagnetischen und ferromagnetischen Zustand kann prinzipiell zum Speichern von digitalen Daten genutzt werden. Doch bislang lässt sich nur der magnetische Zustand der speziellen Doppelschicht aus Chromiodid gezielt ändern. Sowohl dickere als auch dünnere Schichten zeigten nicht das gewünschte Verhalten. Eine Festplatte aus Chromiodid – die mit deutlich weniger Material auskäme als heutige Festplatten – wird sich in naher Zukunft trotzdem nicht realisieren lassen. Denn bisher konnten die Forscher den magnetoelektrischen Effekt nur bei Temperaturen zwischen minus 269 und minus 223 Grad Celsius nachweisen. „Derzeit arbeiten wir an verschiedenen Methoden und einem neuen Materialdesign für Doppelschichten, um die Arbeitstemperatur weiter zu steigern“, sagt Mak. „Und das hoffentlich bis zur Raumtemperatur.“

Quelle: https://www.weltderphysik.de/gebiet/materie/news/2018/neues-material-fuer-datenspeicher/