Skyrmionen: Stromspar-Speicher mit Magnetwirbeln

Wissenschaftler an verschiedenen Universitäten sind derzeit einem physikalischen Effekt auf der Spur, der deutlich kompaktere und stromsparendere Speichermedien verspricht. Aktuelle Forschungsergebnisse aus München und Köln wurden nun im Fachmagazin 'Nature Physics' veröffentlicht.

Grundlage ist eine Entdeckung, die vor drei Jahren in München gemacht wurde. Forscher fanden hier in einem Kristall aus Mangansilizium eine völlig neuartige magnetische Struktur: Ein Gitter aus magnetischen Wirbeln. Nach dem britischen Physiker Tony Skyrme wurden diese Skyrmionen genannt.

Die Forschung konzentriert sich bereits seit einigen Jahren auf die Frage, wie man magnetische Informationen durch elektrische Ströme direkt in Materialien schreiben kann. Problematisch sind dabei jedoch bislang die erforderlichen extrem hohen Stromstärken, deren Nebeneffekte selbst in Nanostrukturen kaum zu bändigen sind. Da die Skyrmionen sich mit 100.000 mal niedrigeren Stromstärken bewegen lassen, ist das Interesse in Wissenschaft und Industrie extrem groß.

Schon bei der Entdeckung der magnetischen Wirbel war klar, dass Mangansilizium nicht das einzige Material bleiben würde, in dem solche Skyrmionen erzeugt werden können. Das bestätigte sich. Inzwischen haben japanische Forscher nachgewiesen, dass es möglich ist, einzelne Wirbel zu erzeugen und eine Gruppe von Physikern des Forschungszentrums Jülich sowie der Universitäten Hamburg und Kiel wies nach, dass die magnetischen Wirbel auch auf Oberflächen erzeugt werden können. Aus nur 15 Atomen bildeten sie ein Informations-Bit. Für ein magnetisches Bit einer heutigen Festplatte benötigt man dagegen etwa eine Million.


Wie allerdings die Information geschrieben, geändert und ausgelesen werden könnte, blieb ein Problem. Bisher verwendete man die Neutronenstrahlung der benachbarten Forschungs-Neutronenquelle FRM II von der Technischen Universität München, um die Materialien zu untersuchen. Allerdings ist die Notwendigkeit einer Neutronenquelle ein Problem, dass eine Praxistauglichkeit verhindern würde.

Mit Hilfe der Neutronenstrahlung konnten die Wissenschaftler aber nachweisen, dass selbst geringste Stromstärken ausreichen, um die magnetischen Wirbel zu verschieben. Nun haben die Physiker eine Methode entwickelt, mit der sie die aus Spinwirbeln bestehenden Skyrmionen rein elektronisch bewegen und vermessen können.

Während man derzeit mit dem Strom im Schreib/Lesekopf einer Festplatte ein Magnetfeld erzeugt, um das Material an einer Stelle der Festplatte zu magnetisieren und ein Informationsbit zu schreiben, kann man die Skyrmionen direkt und mit sehr viel kleineren Strömen bewegen. Damit sollte es nach Ansicht der Forscher möglich sein, Speicherung und Verarbeitung von Daten wesentlich kompakter und energetisch sehr viel effizienter zu gestalten.

Bisher sind allerdings für die Messung der Effekte sehr tiefe Temperaturen nötig. Im Rahmen eines aus Mitteln des European Research Council geförderten Projekts entwickeln die Wissenschaftler derzeit neue Materialien, die Skyrmionen auch bei Raumtemperatur nutzbar machen sollen. Bis die ersten elektronischen Bauteile mit dieser Technologie auf den Markt kommen, ist jedoch noch einiges an Forschungsarbeit zu leisten.