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Spart Energie: Daten mit topologischen Magneten speichern

Jülich, 17. November 2017 - Informationen schnell, energiesparend und auf engstem Raum zu speichern, zu lesen und zu schreiben sind grundlegende Anforderungen an heutige und zukünftige Informationsspeicher. Dabei sind magnetische Materialien, wie sie in Milliarden von Festplatten eingesetzt werden, besonders erprobte Träger von Information. Physiker des Forschungszentrums Jülich haben nun gezeigt, dass die Kontrolle der magnetischen Orientierung in bestimmten Isolatoren mit Hilfe elektrischer Felder noch besser gelingen sollte. Die Wissenschaftler konnten zudem mittels Computersimulationen vielversprechende Materialien vorschlagen, in welchen dieses Phänomen experimentell nachgewiesen werden könnte.

Als Folge der so genannten Spin-Bahn-Wechselwirkung kann ein elektrisches Feld eine Kraft auf einen Magneten ausüben, wodurch dieser seine magnetische Ausrichtung im Raum ändert. Während vor diesem Hintergrund bisher überwiegend metallische Festkörper untersucht wurden, legten die Jülicher Forscher Ihren Fokus stattdessen auf isolierende Systeme. Im Gegensatz zu Metallen sind die elektrische Leitfähigkeit und entsprechende Energieverluste in diesen Materialien verschwindend gering.

Die Forscher entdeckten, dass ein nahezu verlustfreies Schalten des Magneten genau dann möglich ist, wenn sich aufgrund eines Phasenübergangs die Topologie des Isolators mit seiner magnetischen Orientierung ändert. Topologie ist ein mathematisches Konzept und beschreibt, dass grundlegende Eigenschaften von Objekten unter kontinuierlichen Deformationen gleich bleiben. So ist es beispielsweise nicht möglich, den Buchstaben B nur durch Dehnen und Biegen in den Buchstaben A umzuformen. In ihrer Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Nature Communications berichten die Physiker weiter, wie ihre Erkenntnisse helfen können, neue isolierende und metallische Magneten für den Datenspeicher der Zukunft zu entwickeln.

Spart Energie: Daten mit topologischen Magneten speichernEin elektrisches Feld entlang des weißen Pfeils parallel zum magnetischen Isolator (orange), der sich auf einem Substrat (grau) befindet, kann die Orientierung des Magneten (blauer Pfeil) kontrollieren. Wenn sich dabei von A nach B die topologischen Eigenschaften ändern, müssen sich im Falle eines magnetischen Isolators die Energiebänder (grün und rot) kreuzen. Die Physiker zeigten, dass solche Kreuzungspunkte (graue Kugel) für ein besonders effizientes Schalten des Magneten genutzt werden können.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Originalpublikation

Jan-Philipp Hanke, Frank Freimuth, Chengwang Niu, Stefan Blügel, Yuriy Mokrousov; Mixed Weyl semimetals and low-dissipation magnetization control in insulators by spin-orbit torques; Nature Communications 8, 1479 (2017), DOI: 10.1038/s41467-017-01138-7


Weitere Informationen

Institutsbereich “Quanten-Theorie der Materialien” (PGI-1/IAS-1)

Nachwuchsgruppe Topological Nanoelectronics

Ansprechpartner

Jan-Philipp Hanke
Peter Grünberg Institut – Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Tel. 02461 61-6651
E-Mail: j.hanke@fz-juelich.de


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