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Magnetische Skyrmionen: Mächtig Wirbel im Computerchip

Magnetische Wirbel könnten die Speichertechnik revolutionieren. 2015 gelang es Forschern nun, diese »Skyrmionen« bei Zimmertemperatur zu erzeugen und zu manipulieren.
Ein Strudel aus Daten

Schon seit einigen Jahren gelten magnetische Skyrmionen als heiße Kandidaten für die künftige Computertechnik. Dies sind Wirbel in magnetischen Materialien, die dank ihrer besonderen Struktur stabil sind. Skyrmionen können in verschiedenen Formen auftreten, aber sie zeichnen sich vor allem durch ihre Wirbelstruktur aus, die sie nach außen und gegenüber anderen Skyrmionen abschirmt und sie dadurch langlebig macht.

Skyrmionen besitzen viele Vorzüge, die sie für die Informationstechnologie interessant machen. Im Gegensatz zu heutigen magnetischen Speichermethoden lassen sie sich mit sehr geringen elektrischen Strömen erzeugen und manipulieren. Zudem können sie winzig klein sein. Ein Skyrmionen-Speicherchip könnte also deutlich kleiner und energiesparender gebaut werden, als es mit heutiger Technologie möglich ist. Noch befindet sich die Forschung zu den Skyrmionen aber im Grundlagenstadium. Das liegt unter anderem daran, dass diese winzigen magnetischen Wirbel vor allem bei sehr tiefen Temperaturen auftreten.

Einer Forschergruppe um Axel Hoffmann vom Argonne National Laboratory ist es ist es 2015 jedoch gelungen, Skyrmionen auch bei Zimmertemperatur entstehen zu lassen. Dazu nutzten sie eine Methode, die im Prinzip jedes Kind kennt: Wenn man durch einen Strohhalm bläst, der mit Seifenlauge benetzt ist, bildet sich zunächst ein kurzer Schlauch, der dann zunehmend Kugelform annimmt, bis er sich als Seifenblase vom Strohhalm löst. Ganz ähnlich verwandelt sich ein Wasserstrahl mit wachsender Entfernung vom Wasserhahn in Tropfen. In beiden Fällen ist es das Wechselspiel zwischen anziehenden Kräften und der Dynamik des Systems, das zur Entstehung einzelner Blasen oder Tropfen führt.

Magnetischer Film aus hauchdünnen Lagen

Die große Schwierigkeit bei der Übertragung dieser Idee auf magnetische Strukturen bestand nun für die Forscher darin, ein geeignetes Material mit passenden Parametern zu finden, in dem vergleichbare magnetische Prozesse stattfinden. Skyrmionen tauchen überhaupt nur in besonders strukturierten Materialien auf. Die Wissenschaftler entwickelten deshalb einen magnetischen Film aus mehreren hauchdünnen Lagen. In der mittleren Schicht befand sich eine Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor, umschlossen von einer oberen und unteren Lage aus Tantal beziehungsweise Tantaloxid. All diese Schichten waren nur ein bis wenige Nanometer dünn und mussten dabei sehr präzise gefertigt sein.

Theorie und Praxis | Die Skyrmionen entstehen, wenn sich magnetische Domänen in speziellen Materialien durch Engstellen bewegen. Nach dem oben gezeigten theoretischen Modell ähnelt dieser Vorgang dem Erzeugen von Seifenblasen. Unten sieht man die experimentelle Bestätigung.

»Das größte Problem war, die magnetische Multilage zu optimieren«, sagt Axel Hoffmann. Um stabile Skyrmionen zu erzeugen, müssen die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Schichten ganz bestimmte Bedingungen erfüllen. Der Trick bestand dann darin, zunächst längliche magnetische Bereiche zu erzeugen. Hierzu ließen die Forscher elektrischen Strom durch den magnetischen Film laufen, während sie ein starkes äußeres Magnetfeld anlegten.

Ähnlich wie Seifenlauge auf Grund ihrer Oberflächenspannung zusammenhält und daher zunächst am Strohhalm haften bleibt, verwandeln sich auch die magnetischen Bereiche nicht ohne Weiteres in Skyrmionen. Deshalb ließen die Wissenschaftler die magnetischen Bereiche durch eine nur drei Mikrometer (millionstel Meter) breite Engstelle passieren, die sie mit fotolithografischen Verfahren erzeugt hatten. Dahinter spalteten sich die Skyrmionen wie gewünscht einzeln ab.

Wirbel lassen sich verschieben

Die Forscher konnten die Skyrmionen auch mit Hilfe elektrischer Ströme bewegen. Das ist wichtig, wenn man mit Skyrmionen elektronische Informationsverarbeitung betreiben will. Zudem gelang es ihnen zu messen, mit welcher Geschwindigkeit sich die Skyrmionen entlang der magnetischen Schichten bewegten.

»Damit sind im Prinzip die Grundlagen geschaffen, um magnetische Speicherelemente mit Skyrmionen zu entwickeln, und langfristig ist es vielleicht sogar möglich, Computerlogik herzustellen, die auf Skyrmionen basiert«, sagt Hoffmann. Bevor in unseren Computern und Mobiltelefonen Skyrmionen ihrer Runden drehen, werden aber noch einige Jahre ins Land ziehen. Bislang konnten die Forscher nachweisen, dass ihre Skyrmionen über acht Stunden lang stabil bleiben. Dies ist zwar ein sehr guter Wert, aber noch nicht ausreichend für elektronische Geräte, denen man seine Daten anvertraut.

Die Methode zeigt jedoch einen viel versprechenden Weg, auch bei Zimmertemperatur Skyrmionen zu erzeugen. Kommerzielle Computer und Mobiltelefone lassen sich schließlich nicht auf Temperaturen weit unter null Grad Celsius kühlen. Die Wissenschaftler gehen sogar davon aus, dass ihre Skyrmionen auch weit oberhalb der Zimmertemperatur stabil sind. Hierzu liegen jedoch noch keine Messungen vor.

Zunächst aber müssen die magnetischen Schichtsysteme weiter optimiert werden. Auch die Größe der Skyrmionen entspricht noch nicht den Zielen: Sie sind mit einem Mikrometer noch deutlich zu groß, um ihre Vorteile wirklich ausspielen zu können. Für Speicherchips kommen Skyrmionen vor allem in Frage, wenn man sie bis in den Bereich einiger Nanometer miniaturisieren kann. »Wir denken, dass es realistisch ist, innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre einen Prototyp zu entwickeln«, so Hoffmann. »Längerfristig ist es vielleicht auch möglich, Skyrmionen direkt für Logikanwendungen zu benutzen.«

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