Magnetische Bits elektrisch steuern

Gegenwärtige Technologien zum Schreiben, Speichern und Lesen digitaler Daten basieren auf der Ladung oder dem Spin – dem Eigendrehimpuls – von Elektronen. Ein internationales Forscherteam hat nun ein neues physikalisches Phänomen entdeckt, das es erlaubt, die Zustände eines Magneten mit rein elektrischen Signalen zu steuern. Ein äußerer Elektro- oder Dauermagnet wird dafür nicht benötigt. Der Effekt könnte sich zur magnetischen Aufzeichnung und Speicherung von Daten eignen, berichten Forscher um Hidekazu Kurebayashi von der University of Cambridge im Fachblatt „Nature Nanotechnology“.

In ihrem Experiment setzten Kurebayashi und seine Kollegen einen Dauermagneten, bestehend aus einer dünnen Schicht Gallium-Mangan-Arsenid, unter Strom. Im Inneren dieses Halbleiters bildete sich daraufhin eine Art magnetische Wolke, die die magnetischen Eigenschaften des umgebenden Materials beeinflussen konnte. Entsprechende Veränderungen der elektrischen Spannung konnten die Forscher messen, indem sie die Probe mit Mikrowellen bestrahlten – ein Verfahren, das auch als ferromagnetische Resonanz bezeichnet wird.

Eine dünne Platte aus Galliumarsenid, direkt obenauf liegt eine kleinere Platte aus Gallium-Mangan-Arsenid. Die Platten sind in eine elektrische Schaltung integriert, in der Strom und Spannung gemessen werden können. Pfeile zeigen die Ausrichtung der Magnetisierung und die Komponenten der ausgerichteten Spins.
Messung der ferromagnetischen Resonanz

Der beobachtete Effekt lässt sich auf die Wechselwirkung der beiden magnetischen Momente zurückführen, die von der Bahnbewegung und dem Spin der Elektronen herrühren. Darin ähnelt er dem sogenannten Spin-Hall-Effekt, der im Jahr 2004 nachgewiesen wurde. Beim Spin-Hall-Effekt bewegen sich die Elektronen je nach Ausrichtung ihrer Spins in unterschiedlichen Richtungen durch das Material. Quer zur Probe bildet sich dadurch ein Spinstrom, also ein Strom des „Drehsinns“ der Elektronen, aus.

„Vor zehn Jahren haben wir vorhergesagt und herausgefunden, wie elektrische Ströme reine Spinströme in der inneren Struktur des Materials erzeugen können. Nun haben wir gezeigt, wie sich dieser Effekt umkehren lässt, um Magnete durch die strominduzierte Polarisation zu manipulieren“, sagt Jairo Sinova von der Universität Mainz. „Diese neuen Phänomene sind ein wichtiger Gegenstand der aktuellen Forschung, da sie zu einer neuen Generation von Speicherelementen führen können.“ Das Hin- und Herschalten eines magnetischen Bits zwischen den Werten „Null“ und „Eins“ könnte dann mit elektrischen Signalen bewerkstelligt werden; die Kopplung an einen Elektro- oder Dauermagneten wäre hierfür nicht mehr nötig. Auf diese Weise ließen sich die Vorteile der ladungs- und spinbasierten Speicherung von Daten kombinieren, so die Forscher.