Vielversprechende Entdeckung für magnetische Speichermedien
Ein neu entdeckter physikalischer Effekt könnte dazu beitragen effizientere Magnet-Chips für die Informationsverarbeitung zu entwickeln. Der „Spin-Bahn-Drehmoment“ hilft, die Effizienz der Datenspeicherung zu steigern und das Auslesen und Einschreiben der Daten zu vereinfachen.
Speichertechnik aus der Urzeit der Computertechnik: ein Kernspeicher von Telefunken aus dem Jahr 1969. Aktuell arbeiten Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich an neuartigen magnetischen Speichermedien, die schneller und effizienter arbeiten als herkömmliche Arbeitsspeicher.
Foto: TU München
Arbeitsspeicher sind das Kurzzeitgedächtnis von Computern. Sie speichern die aktuell benutzten Programme und Dateien elektronisch in vielen winzigen Kondensatoren zwischen. Weil Kondensatoren sich mit der Zeit entladen, müssen sie regelmäßig neu geladen werden, sonst gehen ihre Informationen verloren. Das kostet nicht nur Energie und Zeit. Ein ungeplanter Stromausfall kann die Daten unwiederbringlich vernichten.
Magnetische Speichermedien bislang nicht konkurrenzfähig
So genannte MRAMs (Magnetic Random Access Memories) dagegen speichern die Informationen in winzigen magnetischen Bereichen. Das funktioniert schnell und ohne ständige Stromzufuhr. Trotzdem haben sich MRAMs nicht auf breiter Front durchsetzen können, da ihre Speicherdichte noch zu gering ist. Sie verbrauchen außerdem viel Strom und sind teuer, weil ihre Produktion aufwändig ist.
Spinstrom (blau) und Spinanhäufung (rot) erzeugen in Schichtsystemen aus Platin (unten) und Kobalt ein Drehmoment, das die Ausrichtung der magnetischen Momente in der Kobaltschicht beeinflusst (veranschaulicht durch den rot-grünen Stabmagneten).
Quelle: Forschungszentrum Jülich
Einer der Gründe für den hohen Aufwand und die bislang mangelnde Verbreitung sind die spinpolarisierten Ströme, kurz Spinströme, die benötigt werden, um die magnetischen Bereiche der MRAMs zu schalten. Der Spin ist der Eigendrehimpuls der Elektronen, der Materialien ihre magnetischen Eigenschaften verleiht, und in zwei Richtungen zeigen kann. Spinströme sind elektrische Ströme mit nur einer der zwei Spinsorten. Ähnlich wie das Magnetfeld der Erde die Nadel eines Kompasses beeinflusst, wirkt ein Strom einer Sorte Spins auf eine Magnetschicht und kann sie zum Umklappen bewegen.
„Spin-Bahn-Drehmoment“ reduziert Platzbedarf der Magnetspeicher
Um Spinströme zu erzeugen, filtert man bisher die gewünschte Sorte Spins aus normalem elektrischem Strom heraus. Das bedarf spezieller Filterstrukturen und hoher Stromdichten. Mit dem Effekt, den Forscher aus Jülich, Barcelona, Grenoble und Zürich nun aufgedeckt haben, könnten magnetische Informationen einfacher geschaltet werden. Das verringert den Platzbedarf der Magnetspeicher und macht das System robuster. Die Chips könnten einfacher und deshalb preiswerter produziert werden.
„Wir benötigen keinen Spinfilter mehr, sondern erzeugen den Spinstrom direkt dort, wo er auch gebraucht wird. Ein Schichtstapel aus Kobalt und Platin reicht dafür “, erläutert Frank Freimuth vom Peter Grünberg Institut und Institute for Advanced Simulation am Forschungszentrum Jülich.
Ein elektrischer Strom, an der Grenzfläche durch den Stapel geleitet, trennt die Spins der Platinschicht auf und leitet nur eine Sorte in die magnetische Kobaltschicht. Dort entsteht ein Drehmoment, das die Magnetisierung umkehren kann. Den neu entdeckten Effekt haben die Forscher „Spin-Bahn-Drehmoment“ getauft. In weiteren Versuchen wollen die Wissenschaftler andere Materialkombinationen verwenden, um den Effekt noch deutlicher zeigen zu können.
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