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Skyrmionen – Grundlage für eine vollkommen neue Computerarchitektur?

21.12.2020 11:53

Skyrmionen – Grundlage für eine vollkommen neue Computerarchitektur?

Skyrmionen sind magnetische Objekte, von denen sich Forscher weltweit versprechen, mit ihnen die neuen Informationseinheiten für die Datenspeicher und Computerarchitektur der Zukunft gefunden zu haben. Bevor sie in technischen Anwendungen zu finden sein werden, gilt es jedoch, noch einige Hürden zu überwinden. Einem Forscherteam der Empa gelang es nun erstmals, ein komplexes Multilagenschichtsystem herzustellen, in dem zwei verschiedene Skyrmionen – die künftigen Bits für “0” und “1” – bei Raumtemperatur existieren können, wie sie nun im renommierten Fachblatt “Nature Communications” berichten.

Die einfachen physikalischen Grundprinzipien des Magnetismus mögen Vielen noch aus der Schule bekannt sein. Betrachtet man die magnetischen Gegebenheiten auf atomarer Ebene, stösst man mit diesem Alltagswissen um Nord- und Südpol jedoch schnell an seine Grenzen. Denn im Nanobereich können die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Atomen wundersame Zustände annehmen und beispielsweise aus atomaren magnetischen Momenten spezielle Wirbel formen, sogenannte Skyrmionen.

Diese haben sehr spezielle Eigenschaften und können in bestimmten Materialsystemen erzeugt werden, etwa in einem “Stapel” aus verschiedenen sub-Nanometer dicken Metallschichten. Die moderne Computertechnik verspricht sich von Skyrmionen, die insgesamt nur wenige Nanometer gross sind, einen extrem platzsparenden und ultraschnellen Weg der Datenspeicherung und -verarbeitung. So könnte ein Konzept für die Datenspeicherung mit Skyrmionen sein, dass ein Skyrmion den Wert “1” erhält, und der Wert “0” durch die Abwesenheit desselben dargestellt wird. Dieses Konzept könnte dann in “Racetrack”-Speichern (s. Infobox) zur Anwendung kommen. Voraussetzung ist allerdings, dass der Abstand zwischen dem Skyrmion für den Wert “1” und der Skyrmion-Lücke für den Wert “0” beim Verschieben während des Datentransports konstant bleibt, da dies sonst Fehler verursachen würde.

Besser wäre es, für die Darstellung von “0” und “1” unterschiedliche Skyrmionen zu verwenden. Diese könnten dann wie Perlen entlang einer Kette transportiert werden, ohne dass dabei die Abstände der Perlen eine grosse Rolle spielen. Die Existenz zweier verschiedener Skyrmion-Typen (Skyrmion und Skyrmion-Bobber) haben Forscher bisher indes nur theoretisch vorausgesagt und experimentell lediglich in einem speziell “gezüchteten” monokristallinen Material nachweisen können. Dort existieren die Skyrmionen aber nur bei extrem tiefen Temperaturen. Für praktische Anwendungen ist dieses Material daher ungeeignet.

Erfahrung mit ferromagnetischen Multilagensystemen und Magnetokraftmikroskopie

Der Forschergruppe um Hans Josef Hug an der Empa ist es nun gelungen, das Problem zu lösen: “Wir haben ein Multilagensystem bestehend aus verschiedenen sub-Nanometer dicken ferromagnetischen, Edelmetall- und seltenen Erdmetall-Schichten hergestellt, in dem zwei verschiedene Skyrmionen-Zustände bei Raumtemperatur nebeneinander existieren können”, sagt Hug. Sein Team untersucht schon seit längerem die Eigenschaften und die Beeinflussbarkeit von Skyrmionen in selbst hergestellten ultradünnen ferromagnetischen Multilagensystemen mit dem eigens an der Empa entwickelten Magnetokraftmikroskop. Für ihre jüngsten Experimente stellten sie die Materialschichten aus den Metallen Iridium (Ir), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Platin (Pt) und den seltenen Erdmetallen Terbium (Tb) und Gadolinium (Gd) her.

Zwischen den zwei ferromagnetischen Multilagen, die Skyrmionen erzeugen – die Kombination aus Ir/Fe/Co/Pt-Schichten wird fünf Mal übereinandergelegt –, fügten die Forscher eine ferrimagnetische Multilage aus einer Tb/Gd-Legierung und einer Co-Schicht ein. Das Besondere an dieser Lage ist, dass sie für sich alleine keine Skyrmionen erzeugen kann. Die äusseren beiden Schichten erzeugen dagegen Skyrmionen in grosser Zahl.

Die Forscher justierten das Mischungsverhältnis der beiden Metalle Tb und Gd sowie die Dicken der TbGd- und der Co-Schicht in der zentralen Lage so, dass sich dessen magnetische Eigenschaften durch die äusseren ferromagnetischen Schichten beeinflussen lassen: Diese “pressen” Skyrmionen in die mittlere ferrimagnetische Schicht. Dadurch entsteht ein Schichtsystem, in dem zwei verschiede Typen von Skyrmionen existieren.

Experimenteller und theoretischer Nachweis

Die beiden Skyrmion-Typen lassen sich aufgrund ihrer unterschiedlich grossen Durchmesser und Intensitäten mit dem Magnetokraftmikroskop gut voneinander unterscheiden. Das grössere Skyrmion, das auch ein stärkeres Magnetfeld erzeugt, durchdringt das gesamte Schichtsystem, also auch die mittlere ferrimagnetische Multilage; das schwächere durchdringt diese dagegen nicht, sondern existiert nur in den beiden äusseren Multilagen. Und genau darin liegt die Bedeutung der jüngsten Ergebnisse hinsichtlich eines möglichen Einsatzes von Skyrmionen in der Datenverarbeitung. Denn wenn binär Daten – als 0 und 1 – gespeichert und abgelesen werden sollen, müssen diese eindeutig unterscheidbar sein, was hier durch die beiden unterschiedlichen Skyrmion-Typen möglich wäre.

Mit dem Magnetokraftmikroskop wurden verschiedene dieser Multilagen miteinander verglichen. So konnte Hugs Team feststellen, in welchen Schichten die unterschiedlichen Skyrmionen vorkommen. Zudem bestätigten mikromagnetische Computersimulationen die Ergebnisse. Erstere wurden in Zusammenarbeit mit Spezialisten an den Universitäten Wien und Messina durchgeführt.

Ein grosser Schritt in Richtung Umsetzbarkeit sei gemacht, ist die Empa-Forscherin Andrada-Oana Mandru, die Erstautorin der Studie, überzeugt: “Die von uns entwickelten und mittels Sputter-Technologie herstellbaren Multilagen sind prinzipiell auch im industriellen Massstab herstellbar.” Zudem könnten in Zukunft mit ähnlichen Systemen eventuell auch dreidimensionale Datenspeicher mit noch wesentlich grösserer Speicherdichte gebaut werden. Ihre Arbeit präsentierte die Forschungsgruppe vor kurzem in einem Artikel im renommierten Fachblatt “Nature Communications”.

Racetrack-Speicher

Das Konzept eines solchen Speichers wurde 2004 bei der Firma IBM entworfen. Es besteht darin, Information mittels magnetischer Domänen – also magnetisch gleich ausgerichteten Bereichen – an einer Stelle zu schreiben und diese dann mittels Strömen schnell im Speicher zu verschieben. Ein Bit entspricht dabei einer solchen magnetischen Domäne. Diese Aufgabe könnte beispielsweise von einem Skyrmion übernommen werden. Trägermaterial dieser magnetischen Informationseinheiten sind Nanodrähte, die mehr als tausend Mal dünner als ein menschliches Haar sind und damit eine extrem platzsparende Form der Datenspeicherung versprechen. Der Transport der Daten entlang der Drähte funktioniert zudem extrem schnell, nämlich etwa 100 000 Mal schneller als in einem konventionellen Flash-Speicher und mit einem wesentlich geringeren Energiebedarf.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Hans-Josef Hug
Magnetic and Functional Thin Films
Tel. +41 58 765 4125
hans-josef.hug@empa.ch

Originalpublikation:

A Mandru, O Yıldırım, R Tomasello, PHeistracher, M Penedo, A Giordano, D Suess, G Finocchio and HJ Hug; Coexistence of distinct skyrmion phases observed in hybrid ferromagnetic/ferrimagnetic multilayers; Nature Communications (2020); doi.org/10.1038/s41467-020-20025-2