Winzige magnetische Wirbel taugen als Datenspeicher

Erst vor vier Jahren entdeckten Physiker aus Köln und München winzige magnetische Wirbelknoten mit bis dato unbekannten Eigenschaften. Getauft auf den Namen Skyrmion galten sie schnell als neue Kandidaten für sehr leistungsfähige Datenspeicher, in denen digitale Bits deutlich dichter gepackt werden könnten als mit allen bekannten Speichertechniken. Nun gelang der Nachweis, dass Skyrmionen tatsächlich als Datenspeicher taugen. Wie Physiker in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, konnten sie Skyrmionen mit der atomfeinen Spitze eines Rasterelektronenmikroskops gezielt erzeugen und wieder vernichten. Dieses Schalten zwischen zwei Zuständen bildet die Grundlage für digitale Datenspeicher.

Die Grafik zeigt ein Oberfläche, von der kleine spitze Strukturen aufragen, einige dieser Strukturen haben sich zu einem Wirbel angeordnet, an einer Stelle über der Oberfläche ist eine Mirkroskopspitze zu sehen.
Skyrmionen

„Die Idee vom sprichwörtlichen Knoten im Taschentuch, um sich etwas zu merken, haben wir auf die Speichertechnologie übertragen und können Daten in zweidimensionalen magnetischen Knoten speichern“, sagt Niklas Romming vom Institut für Angewandte Physik an der Universität Hamburg. Zusammen mit seinen Kollegen beschichtete er einen Kristall aus dem sehr schweren und harten Metall Iridium mit einer nur zwei Atomlagen dünnen Schicht aus Palladium und Eisen. In einem äußeren Magnetfeld bildeten sich einige Skyrmionen aus. Diese magnetischen Wirbelknoten waren nur wenige Millionstel Millimeter groß, zeigten sich sehr stabil und verharrten genau an einer Stelle.

Über die Skyrmionen fuhren die Physiker nun mit der atomfeinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Kleine elektrische Ströme reichten dabei aus, um die Wirbelknoten gezielt zu erzeugen und wieder zu löschen. Bei der Erzeugung eines Skyrmions wurden die sonst parallel ausgerichteten magnetischen Momente in der hauchdünnen Metallschicht so verwirbelt, dass sich eine Art zweidimensionaler Knoten bildete, beim Löschen wurde der Knoten wieder aufgelöst.

Wegen ihrer geringen Größe könnten mit Skyrmionen viele Terabytes Daten auf Flächen geschrieben werden, die deutlich kleiner sind als heute verfügbare Speicherkarten. Doch bis zu ersten Skyrmionenspeichern ist der Weg noch sehr weit. Denn die Schaltversuche liefen in einer tiefkalten Umgebung bei etwa minus 265 Grad Celsius ab. Zudem müssten erschwingliche und zuverlässige Leseköpfe entwickelt werden, die die Aufgabe des Rastertunnelmikroskops übernehmen könnten. Dennoch ist es nicht ausgeschlossen, dass diese grundlegenden Experimente mit magnetischen Wirbelknoten die Entwickler von Speichermedien einen großen Schritt voranbringen.