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News: Den Dreh raus

Schnell schaltende magnetische Speicherbausteine könnten den Computer von morgen revolutionieren. Bislang ließ ihre Geschwindigkeit jedoch zu wünschen übrig. Nun machen ihnen aber besonders geformte, kurze Magnetfeldpulse ordentlich Dampf.
Wie schön wäre es, wenn Computer nicht lange booten müssten, sondern alle Daten direkt nach dem Einschalten zur Verfügung stünden. Dank so genannter MRAMs (magnetic random-access memory), die Informationen permanent auf magnetischem Wege speichern, könnte dieser Traum in Zukunft sogar in Erfüllung gehen. Doch leider hapert es zur Zeit noch an der Schreibgeschwindigkeit, da die Magnetisierung einer kleinen Speicherzelle – eines Bits – erst in die neue, durch ein äußeres Magnetfeld vorgegebene Richtung bugsiert werden muss, um von 0 auf 1 oder von 1 auf 0 zu schalten.

Normalerweise geschieht das, indem ein äußeres Magnetfeld angelegt wird, das der Magnetisierung gerade entgegengerichtet ist – eine antiparallelen Ausrichtung also. Dann beginnen die vielen kleinen Elementarmagnete meist zunächst vom Rand aus umzuklappen, bis sie schließlich alle in die neue Richtung weisen.

Aber es geht auch schneller: Anstelle eines antiparallelen Felds lässt sich die Magnetisierung nämlich auch mit einem senkrecht angelegten Feld drehen. Dabei machen sich Forscher zunutze, dass magnetische Materialien häufig eine Vorzugsrichtung haben, in die ihre Magnetisierung weist. Bei einem elliptisch geformten Magneten ist das in der Regel in Richtung des größeren Durchmessers. Liegt nun ein Feld senkrecht zu dieser Richtung an, dann drehen sich alle Elementarmagneten, sodass auch die Magnetisierung schließlich in die senkrechte Richtung weist. Wird das Feld abgeschaltet, dann dreht sie sich im Idealfall weiter in die neue Richtung, und das Bit ist ummagnetisiert.

Die Methode hat jedoch einen Haken: Wird der Feldpuls zu kurz angelegt, dann dreht sich die Magnetisierung nicht vollständig und fällt wieder in den alten Zustand zurück, und ist er zu lang, dann dreht sie sich vielleicht weiter und erreicht auch so die Ausgangssituation. Bleibt also doch nur der langsame Weg mit einem antiparallelen Magnetfeld?

Thomas Gerrits von der University of Nijmegen und seine Kollegen wollten sich damit nicht abfinden und ersannen eine Methode, das leidige Problem zu umgehen: Anstelle eines Feldpulses nutzten sie derer zwei – einen, um die Rotation in Gang zu setzen, den anderen, um sie wieder rechtzeitig zu stoppen.

Um die Felder in gewünschter Stärke und Dauer zu erzeugen, beschienen sie kurz hintereinander zwei lichtsensitive Schaltelemente mit kurzen Laserpulsen. Das löste jeweils einen flüchtigen Stromfluss durch eine Leiterbahn parallel zur magnetischen Struktur aus, wobei der Strompuls seinerseits wieder ein Magnetfeld senkrecht zur Leiterbahn und damit auch senkrecht zu Struktur erzeugte.

Mit magnetoptischen Methoden konnten die Forscher den Ummagnetisierungsprozess in der Probe aufzeichnen. Wie sich zeigte, gelang es, das Testbit der Probenstruktur innerhalb von nur 200 Picosekunden umzuschalten, was einer Schreibgeschwindigkeit von fünf Gigahertz entspricht – womit ein entsprechendes MRAM-Modul auch in Zukunft vermutlich locker mit herkömmlichen Speichermedien mithalten könnten. Diese haben nämlich mit allerlei Tricks gerade einmal die Gigahertz-Marke genommen.

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  • Quellen
Nature Physics Portal
Nature 418: 493–494 (2002)
Nature 418: 509–511 (2002)

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