Heiße Spinströme für effizientere Datenspeicher

Jülich/Kaiserslautern – Die herkömmliche Halbleiterelektronik nutzt die Ladung von Elektronen, um mit Hilfe von winzigen Kondensatoren im Arbeitsspeicher Daten zu sichern. Das kostet Energie und Zeit, denn die Kondensatoren müssen regelmäßig neu geladen werden. Zudem können Stromausfälle die gespeicherten Informationen leicht zerstören. Die Spintronik versucht neben der Ladung auch den Spin eines Elektrons zur Informationsverarbeitung zu nutzen. Ein Forscherteam hat jetzt einen überraschenden Effekt entdeckt, dem Ströme angeregter Spins zugrunde liegen und der einen wichtigen Schritt zur Entwicklung neuer Computertechnologien darstellen könnte. Sie erklären das neue Phänomen in „Nature Communications“.

Schichtaufbau der Materialien. In der untersten Schicht sind die Elektronen mit ihren Spins als Pfeile zu sehen. Die Laserpulse werden zwar von der obersten Schicht reflektiert, aber Linien nach unten zeigen, dass sie die Spins beeinflussen oder Informationen auslesen.
Heiße Spins

Der Spin ist ein quantenmechanisches Merkmal von Teilchen, das in der klassischen Physik mit dem Drehimpuls vergleichbar ist und Materialen ihre magnetischen Eigenschaften verleiht. Der Vorteil der magnetischen Datenspeicherung ist ein deutlich geringerer Energieverbrauch, denn die Informationen bleiben bis zum Überschreiben auch ohne Auffrischung erhalten und gehen bei einem Stromausfall nicht verloren. Kurze Laserimpulse, die die Daten auf dünne Schichtsysteme schreiben könnten, sparen zudem viel Zeit und machen die Systeme schneller. Das Problem ist allerdings, dass man dieses magneto-optische Schalten noch nicht ausreichend kontrollieren kann.

Ein entscheidender Schritt ist jetzt einem internationalen Team gelungen, dem unter anderem Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und des Landesforschungszentrums OPTIMAS an der Technischen Universität Kaiserslautern angehörten. Sie konnten die Wirkung von Laserpulsen auf dünne magnetische Schichtsysteme aus Eisen, Nickel und Ruthenium schichtweise untersuchen, indem sie kurzwellige Pulse im weichen Röntgenbereich verwendeten, die eine tiefe Reichweite besitzen. Zu ihrer Überraschung nimmt im Gegensatz zur bisherigen Meinung die Magnetisierung der einzelnen Schichten bei Anregung nicht zwangsläufig ab. Ob sich die Magnetisierung abschwächt oder verstärkt, hängt vielmehr von der anfänglichen Ausrichtung der Magnetschichten ab: Sind zwei Schichten parallel ausgerichtet, steigt nach einem Laserpuls die Magnetisierung in der unteren Schicht, während sie in der oberen abnimmt. Bei einer antiparallelen Ausrichtung verringert sich erwartungsgemäß in beiden Schichten die Magnetisierung.

„Das spricht deutlich für eine neue Theorie“, sagt dazu Martin Aeschlimann vom Landesforschungszentrum OPTIMAS in Kaiserslautern. Er erklärt den Effekt durch „heiße“ – also angeregte – Elektronenspins, die sich durch die zugeführte Energie verstärkt bewegen können. Es kommt zu Spinströmen, die die Magnetisierung je nach Ausrichtung verstärken oder abschwächen. „Da in einem magnetischen Material stets eine kleine Anzahl der Spins entgegen der Gesamtmagnetisierung ausgerichtet sind, kommen diese nicht weit voran, nur die Spins mit der „richtigen“ Orientierung können signifikant wandern. Wenn diese in der Nachbarschicht ankommen, verstärken sie die schon vorhandene Magnetisierung, wenn diese parallel ist, oder schwächen sie, wenn sie antiparallel ist.“

Die Forscher suchen jetzt nach Materialien, die noch stärkere Spinströme zulassen, so dass man die heißen Spins gezielt lenken kann. Letztendlich sollen so viele Spins von einer Schicht in die Nachbarschicht geleitet werden, dass die Magnetisierung umklappt und ein Datenbit eingeschrieben werden kann.