Magnetische Wirbel für neue Datenspeicher

Je kleiner magnetische Einheiten in einem Festkörper sind, desto mehr Daten lassen sich auf engstem Raum bannen. Wie ausgereift magnetische Datenspeicher heute auch sein mögen, Physiker suchen für dieses Ziel nach immer neuen Effekten. Skyrmionen – winzige magnetische Wirbelknoten – gelten seit wenigen Jahren als vielversprechende Kandidaten. Nun gelang es einer Forschergruppe aus den USA, diese Skyrmionen bei Raumtemperatur zu erzeugen und über viele Stunden zu stabilisieren. Ihre Ergebnisse, die die Basis für einen Skyrmionen-Speicher legen könnten, präsentieren sie in einer Vorabveröffentlichung der Fachzeitschrift „Science“.

Eine längliche Fläche schließt rechts mit einem Bogen ab mit Pfeilen, die von der helleren äußeren Schicht nach innen zeigen. Ganz rechts davon ist ein dunkler Kreis mit nach innen zeigenden Pfeilen.
Wie Skyrmionen entstehen

„Magnetische Skyrmionen können mit nur wenigen Nanometern winzig sein und lassen sich mit sehr kleinen elektrischen Strömen bewegen“, sagt der Materialforscher Axel Hoffmann, der eine Arbeitsgruppe am Argonne National Laboratory in Lemont bei Chicago leitet. Mit seinen Kollegen entwarf er eine spezielle Nanostruktur, um bei Raumtemperatur die begehrten Skyrmionen zu erzeugen. Diese bestand aus drei extrem dünnen Schichten aus Tantal, Tantaloxid und einer magnetisierbaren Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor. Mit photolithografischen Verfahren formten die Forscher mikroskopisch kleine Streifen in diese Schichten, die an einer Stelle deutlich verengt wurden.

Diese Schichtstruktur setzten Hoffmann und Kollegen einem senkrecht wirkenden Magnetfeld von einem halben Tesla Stärke aus. Schickten sie dazu kurze Strompulse hindurch, entstanden zuerst längliche magnetisierte Bereiche, die sich mit der Stromrichtung bewegen ließen. Passierten diese Bereiche den Engpass der Schichtstruktur, formten sich die Skyrmionen aus. Die magnetischen Wirbel erreichten dabei Durchmesser von einem bis zwei millionstel Metern und blieben selbst bei Raumtemperatur mindestens acht Stunden stabil.

Dank dieser Langlebigkeit könnten Skyrmionen als neuartige, magnetische Speichereinheiten genutzt werden. Schon vor zwei Jahren wiesen Physiker aus Köln und Hamburg nach, dass die magnetischen Wirbel prinzipiell dazu geeignet sind. Sie konnten damals Skyrmionen mit der atomfeinen Spitze eines Rasterelektronenmikroskops gezielt erzeugen und wieder vernichten. Allerdings liefen diese Pilotversuche noch bei minus 265 Grad Celsius ab. Mit der nun erreichten Stabilität der Skyrmionen bei Raumtemperatur konnte eine große Hürde auf dem langen Weg zu einer Anwendung überwunden werden.