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Forscher am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart konnten mit Hilfe eines Röntgenmikroskops bei der Bildung von magnetische Tröpfchen ein völlig unerwartetes Verhalten beobachten. Wenn der Strom über einen Nanokontakts durch die magnetische Schicht fließt, breitet er sich wesentlich weiter aus, als die Ausdehnung des Nanokontakt es zulassen sollte. Bisher waren Forscher davon ausgegangen, dass nur die Fläche unterhalb des Nanokontakts reagiert. Doch Experimente haben die Wissenschaftler eines Besseren belehrt. Ein spannendes Phänomen in der Grundlagenforschung und von großer Bedeutung für die magnetische Datenprozessierung.
Stuttgart – Joachim Gräfe hat die Grundlagenforschung im Bereich Nanomagnetismus einen Schritt weitergebracht. Der Leiter der Gruppe „Nano-Magnonik und Magnetisierungsdynamik“ am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart (MPI-IS) hat erforscht, was passiert, wenn Strom durch einen nur 80 Nanometer kleinen Kontakt fließt, auf eine magnetische Schicht trifft, und wie sich dann ein Soliton eines magnetischen Tröpfchens mittels des Zhang-Li-Drehmoments ausdehnt. Das Ergebnis ist eine Fläche doppelt so groß wie der Nanokontakt. Bisher waren Forscher davon ausgegangen, dass sich nur die Fläche direkt unterhalb des Nanokontakts verändert. Doch Experimente mit einem Röntgenmikroskop namens MAXYMUS, das wegen der kürzeren Wellenlänge von Röntgenstrahlen selbst Strukturen kleiner als 10 Nanometer sichtbar werden lässt, haben die Wissenschaftler eines Besseren belehrt.
„Direct Observation of Zhang-Li Torque Expansion of Magnetic Droplet Solitons“ heißt Gräfes Publikation, die am 23. Mai 2018 in dem renommierten Journal Physical Review Letters erschien, eine der ältesten und angesehensten Fachzeitschriften in der Physik. „Was uns antrieb, war zu verstehen, was passiert, wenn ein lokaler Strom auf die magnetische Schicht trifft“, sagt Gräfe. „Unser Röntgenmikroskop hat einzigartige Bilder von diesen magnetischen Systemen geliefert. Die Ausbildung magnetischer Tröpfchen konnte bis jetzt noch nie jemand beobachten. Wir haben damit die Grundlagenforschung im Bereich Nanomagnetismus einen Schritt weiterbringen können.“
Das Experiment hat immer das letzte Wort
„Die Theorie hat vorhergesagt, dass sich nur die Fläche unterhalb des Nanokontakts verändert. Aber wir haben etwas anderes beobachtet, als wir das magnetische Tröpfchen unter dem Röntgenmikroskop beobachtet haben – eine Überraschung“, fügt Gisela Schütz hinzu. Sie ist Direktorin der Abteilung für Moderne Magnetische Systeme am MPI-IS; ihr ist Gräfes Forschungsgruppe zugeordnet. „Es hat wieder einmal gezeigt: Das Experiment hat immer das letzte Wort.“
Abbildung 1: Schema eines senkrecht magnetisierten Spin-Torque Nano Oszillators. The Strom fließt durch den Nanokontakt, der in der obersten Schicht des Stapels geöffent wurde.
Abbildung 2: direkte röntgenmikroskopische Abbildung des magnetischen Tröpfchens als räumliche Karte der senkrechten Magnetisierung.
Abbildung 1 zeigt so ein magnetisches Bauteil, das Gräfe unter dem Mikroskop beobachtet hat. Es besteht aus verschiedenen Schichten. Innerhalb der blauen Schicht aus Kobalt (Co) und Nickel (Ni), dem sogenannten „free layer“, hat Gräfe seine interessante Entdeckung gemacht. Er leitete Strom durch einen 80 nm kleinen Nanocontact (NC im Bild) in das magnetische Bauteil. Er hat damit das simuliert, was passieren kann, wenn magnetische Hochgeschwindigkeitsspeicher Informationen schreiben. „Irgendwie lassen sich so Daten in dieser Kobalt-Nickel-Schicht einprägen, aber wie genau das funktioniert, wusste niemand. Es war bis jetzt immer eine Blackbox“, erklärt Gräfe. Der Forscher zeigt nun aber, dass wenn Strom zum Schreiben von Daten auf das magnetische Bauteil trifft (wie in Abbildung 2 zu sehen ist), die magnetische Schicht unterhalb des Nanokontakts sich so verhält, wie wenn ein Wassertropfen auf eine Wasseroberfläche fällt. Nur „die durch den Strom in Schwung geratene Fläche innerhalb der magnetischen Schicht ist doppelt so breit wie der Nanocontact (grüner Ring) groß ist – eine Überraschung! Man hätte eigentlich erwartet, dass der Durchmesser der magnetischen Schicht genauso groß ist wie der Nanocontact breit ist. So dachte bis jetzt die Wissenschaftswelt.“ Aber was Gräfe beobachtete, war, dass der Durchmesser doppelt so groß war, weil zusätzliche Effekte auf das magnetische Tröpfen wirken. Gräfe führt dazu aus: „die große Diskrepanz entsteht vor allem durch den Zhang-Li-Drehmoment, der einen Druck nach außen auf den Tropfenumfang ausübt. Elektrische Messungen an Tröpfchen, die mit einem umgekehrten Strom im antiparallelen Zustand nukleiert wurden, bestätigen dieses Bild.“
„Unsere Errungenschaft ist, dass wir sehen können, wie das genau auf der Nanoskala funktioniert, was da mikroskopisch passiert. Wir haben damit grundlegende physikalische Fragestellungen beantworten können, die bei dem Design von neuartigen magnetischen Speichertechnologien von entscheidender Bedeutung sind“, schließt Gisela Schütz.
Dr. Joachim Gräfe leitet die Forschungsgruppe "Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik" am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme in Stuttgart. Die Gruppe ist der Abteilung Moderne Magnetische Systeme von Prof. Gisela Schütz zugeordnet. Gräfes Forschung konzentriert sich auf die Magnetisierungsdynamik auf der Nanoskala, insbesondere die Magnonik, durch den Einsatz modernster Röntgenmikroskopie.
Gräfe wurde mit dem renommierten Ernst-Eckhard-Koch-Preis und der Otto-Hahn-Medaille der Max-Planck-Gesellschaft ausgezeichnet. Er studierte an der Universität Leipzig und der Cardiff University. Im Jahr 2016 promovierte er am MPI-IS, wo er seither als Gruppenleiter tätig ist.