Ein Schalter für atomare Bits

Mit einem elektrischen Feld lässt sich der magnetische Zustand von Nanostrukturen räumlich präzise beeinflussen

26. Januar 2011

Datenbits sollen sich in Zukunft auf immer engerem Raum speichern lassen. Die Erkenntnis eines Teams um Forscher des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik in Halle könnte dabei helfen. Sie stellen ein Verfahren vor, den magnetischen Zustand einer Nanostruktur aus zwei Mangan-Atomen mit einem elektrischen Feld zu ändern. Der Einfluss des elektrischen Feldes lässt sich räumlich sehr stark begrenzen. Somit erlaubt diese Methode eine höhere Datendichte als die Verfahren, mit denen magnetische Zustände bislang geschaltet werden. Denn egal, ob die dafür benötigte Energie in Form von Wärme, Druck oder einem Magnetfeld zugeführt wird: Diese Techniken wirken sich stets auf einen größeren Bereich aus.

Ein Datenpunkt aus zwei Atomen: Der magnetische Zustand eines Dimers aus Mangan-Atomen lässt sich mit der Änderung eines elektrischen Feldes schalten. Bei der Feldstärke E1 ordnen sich die Spins oder Drehimpulse an den beiden Atomen parallel, also ferromagnetisch, an. Im Feld E2 richten sie sich dagegen antiparallel oder antiferromagnetisch aus. Die beiden magnetischen Zustände könnten für die „0“ oder „1“ eines Datenbits stehen.

Die Aussichten, die durch die “Spintronik” eröffnet werden, klingen vielversprechend: Wenn zur Datenverarbeitung und -speicherung nicht nur die Ladung, sondern auch die Eigendrehimpulse der Elektronen genutzt werden, die Physiker Spins nennen, lassen sich zum Beispiel Computer-Festplatten bauen, die nicht nur kleiner und schneller sind, sondern auch weniger Energie verbrauchen. Mit dem Vorschlag des Teams, zu dem neben Valeri Stepanyuk, Nikolay Negulyaev und Jürgen Kirschner vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Wolfram Hergert von der Martin-Luther-Universität in Halle gehört rückt diese Verheißungen in greifbare Nähe. Sie haben einen Weg gefunden, den Zustand eines winzigen, nur wenige Atome große Magneten zu verändern – mit anderen Worten: Sie können bei dem Nanomagneten zwischen „0“ und „1“ hin- und herschalten.

Die Physiker nutzen dabei ein Phänomen, das vor rund 15 Jahren an Magneten aus einem organischen Molekül nachgewiesen wurde: magnetische Bistabilität. Das bedeutet, dass ein Magnet zwei magnetische Zustände hat, die sich nur durch eine sehr kleine Energiedifferenz unterscheiden. Bistabilität tritt nicht nur an magnetischen Molekülen auf, sondern auch an magnetischen Nanostrukturen verschiedener Größen und Geometrien. Zum Beispiel an einem Mangan-Dimer, das heißt an zwei Mangan-Atomen im Abstand von ungefähr 0,3 Nanometern auf einer Metalloberfläche, die sowohl magnetisch (beispielweise Nickel) als auch nichtmagnetisch (Silber) sein kann. An diesem Materialsystem simulierten die Wissenschaftler aus Halle das magnetische Verhalten, und zwar in ab-initio-Studien, die an keine Messwerte angepasst werden, sondern in die lediglich Naturkonstanten eingehen.

Ein einfacher Schaltmechanismus, der nur lokal wirkt

Magnetische Bistabilität bedeutet für die beiden Mangan-Atome: Es gibt eine ferromagnetische und eine anti-ferromagnetische Konfiguration, in der die beiden Spins parallel beziehungsweise antiparallel ausgerichtet sind. Ohne Einfluss von außen liegt der ferromagnetische Zustand des Mangan-Dimers um ungefähr 20 Millielektronenvolt niedriger als der anti-ferromagnetische (ein Elektronenvolt entspricht der winzigen Energiemenge, die ein Elektron aufnimmt, wenn es in einer Spannung von einem Volt beschleunigt wird). Das heißt, die beiden Mangan-Spins werden die ferromagnetische Konfiguration einnehmen. Legt man hingegen ein elektrisches Feld an, so wirkt sich dieses auf den ferromagnetischen Zustand anders aus als auf den anti-ferromagnetischen. Die Konsequenz: Ab einer bestimmten Feldstärke von einigen Volt pro Nanometer wird die anti-ferromagnetische Konfiguration zum Grundzustand des Systems.

Durch Anlegen eines elektrischen Feldes lässt sich das Mangan-Dimer also auf unkomplizierte Weise von ferromagnetisch auf anti-ferromagnetisch umschalten und umgekehrt. Das Besondere an diesem Schaltmechanismus: Er wirkt lokal. Andere Mechanismen, die für das Schalten benötigte Energie zuzuführen, wirken dagegen nach dem Gießkannenprinzip. Denn die Wirkung von Wärme, Druck oder einem Magnetfeld, dann kann nicht so punktuell begrenzt werden wie die eines elektrischen Feldes. Die Methode, die Valeri Stepanyuk und seine Kollegen vorstellen, bringt somit zwei Vorteile: Zum einen wird die räumliche Genauigkeit und somit die mögliche Speicherdichte erhöht. Zum anderen lässt sich so der Energieverbrauch senken, da die magnetische Konfiguration nur dort geändert wird, wo sich die relevante Information befindet.

Zudem lässt sich das Verfahren in der Praxis relativ leicht realisieren, weil die elektrische Feldstärke, die für den Schaltvorgang geändert werden muss, technisch gut gesteuert werden kann. Sie lässt sich über die Spannung, die an der Spitze eines Rastertunnelmikroskops oder an einem Kondensator anliegt, variieren. Wie der Vorschlag experimentell der Wissenschaftler aus Halle umzusetzen ist, liegt also auf der Hand – ihre Kollegen aus der Experimentalphysik arbeiten daran.

(SHE/PH)

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