News: Wie sich Bits drehen
Ob Kassetten, Disketten oder Festplatten - magnetische Aufzeichnungsverfahren sind immer noch eine der gängigsten und günstigsten Methoden, große Datenmengen zu sichern. Dabei ist bislang gar nicht genau verstanden, wie sich das magnetische Material während des Schreibvorgangs verändert. Drehen sich die unzähligen kleinen Elementarmagneten synchron wie viele kleine Kompassnadeln, oder entstehen Inseln mit entgegengesetzter Ausrichtung? Kanadischen Physiker ist es jetzt gelungen, den Prozess während des Ummagnetisierens mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung in einer Hochgeschwindigkeitsaufnahme sichtbar zu machen.
Herkömmliche Magneten bestehen aus vielen mikroskopisch kleinen Elementarmagneten, den magnetischen Momenten, die ähnlich kleiner Kompassnadeln in eine beliebige Raumrichtung zeigen können. Sind diese Momente im Wesentlichen in eine Richtung ausgerichtet, so liegt makroskopisch gesehen eine Magnetisierung in diese Richtung vor. Durch ein externes Magnetfeld lassen sich die Elementarmagnete auch neu ausrichten. Der Drehprozess ist dabei recht kompliziert und teilweise unbekannt. Das Material, die Form, die Temperatur, Defekte in der Kristallstruktur und schließlich sogar die "Vorgeschichte" der Probe, alldas beeinflusst das Verhalten beim Richtungswechsel. Außerdem klappt die Magnetisierung von einer Richtung in die entgegengesetzte in sehr kurzer Zeit um – viel zu kurz für direkte Beobachtungen und häufig auch zu kurz für physikalische Methoden. Und die Verfahren, die schnell genug sind, haben häufig ein zu beschränktes räumliches Auflösungsvermögen, um den Prozess genau studieren zu können.
Mark Freeman von der University of Alberta und seine Kollegen ist es nun gelungen, mit einem so genannten Raster-Kerr-Mikroskop zu beobachten, wie ein magnetisches Bit umklappt. Bei diesem Verfahren strahlen sehr kurze Laserpulse im Takt von Femtosekunden (10-15 Sekunden) auf unterschiedliche Stellen der Probe – sie wird systematisch abgerastert. Die Probenoberfläche reflektiert das Laserlicht, wobei sich aufgrund des lokalen Magnetfeldes seine Polarisationsebene etwas dreht. Dieser Effekt heißt Kerr-Effekt, daher der Name des Verfahrens. Die Drehung lässt sich detektieren, und schließlich zusammen mit der Ortsinformation in ein Bild wandeln. Innerhalb von Sekundenbruchteilen entsteht so eine detaillierte Aufnahme des magnetischen Zustands der Probe.
Die Proben von Freeman und seinem Team bestanden aus kleinen Rechtecken aus Permalloy – einer weichmagnetischen Eisen-Nickel-Legierung (Ni80Fe20). Die Physiker platzierten die zehn mal zwei Mikrometer großen und 15 Nanometer dicken Rechtecke auf einem schmalen Goldstreifen. Schließlich legten die Forscher ein Magnetfeld parallel zur langen Seite der Rechtecke an – ein so genanntes longitudinales Feld, um die magnetischen Momente auszurichten. Danach schickten sie einen zehn Nanosekunden dauernden Strompuls durch die Goldleiterbahn, sodass für kurze Zeit ein Magnetfeld entgegen des statischen Magnetfelds auftrat. Dadurch wechselte die Magnetisierung der Probe zweimal kurz hintereinander die Richtung. Bei einem zweiten Versuch schalteten die Physiker außerdem noch ein weiteres Feld senkrecht zum longitudinalen Feld hinzu – ein so genanntes transversales Feld.
Während der Versuche deutete sich schon an, dass zwei verschiedene Arten des Umklappens der Magnetisierung auftraten. Bei einem longitudinalen statischen Feld dauerte es 3,5 Nanosekunden, bis die Magnetisierung auf den Puls reagierte. War aber zusätzlich auch ein transversales Feld angelegt, so ließ die Reaktion nicht länger als eine Nanosekunde auf sich warten.
Die Kerr-Aufnahmen erklären den Unterschied: Ohne ein transversales Feld entstanden zunächst kleine Regionen, in denen die magnetischen Momente schon in eine andere Richtung ausgerichtet waren. Diese wachsen, schmelzen zusammen bis schließlich das gesamte Rechteck in die andere Richtung magnetisiert war. Liegt ein zusätzliches transversales Feld an, so drehten sich alle Momente synchron. Es scheint so, als würde die Koordination der Bewegung hier für den schnelleren Umklappprozess verantwortlich sein. Das zusätzliche Feld gab vor, in welche Richtung sich die Momente zu drehen hatten. "Das ist ein bemerkenswertes Resultat," meint David Awschalom von der University of California in Santa Barbara, "das im Gegensatz zur bisherigen Auffassung solcher Prozesse an kleinen magnetischen Teilchen steht."
Mit dem neuen Wissen, ließen sich neuartige Schreibköpfe verwirklichen, die eine wesentlich höhere Datentransferrate zu bieten hätten. Die schnelle Kerr-Mikroskopie ermöglicht es zudem, Modelle zu prüfen, die bislang für den Entwurf mikro- und nanomagnetischer Bauteile genutzt wurden. Awschalom meint: "Diese Bilder sagen mehr als tausend Worte."
Mark Freeman von der University of Alberta und seine Kollegen ist es nun gelungen, mit einem so genannten Raster-Kerr-Mikroskop zu beobachten, wie ein magnetisches Bit umklappt. Bei diesem Verfahren strahlen sehr kurze Laserpulse im Takt von Femtosekunden (10-15 Sekunden) auf unterschiedliche Stellen der Probe – sie wird systematisch abgerastert. Die Probenoberfläche reflektiert das Laserlicht, wobei sich aufgrund des lokalen Magnetfeldes seine Polarisationsebene etwas dreht. Dieser Effekt heißt Kerr-Effekt, daher der Name des Verfahrens. Die Drehung lässt sich detektieren, und schließlich zusammen mit der Ortsinformation in ein Bild wandeln. Innerhalb von Sekundenbruchteilen entsteht so eine detaillierte Aufnahme des magnetischen Zustands der Probe.
Die Proben von Freeman und seinem Team bestanden aus kleinen Rechtecken aus Permalloy – einer weichmagnetischen Eisen-Nickel-Legierung (Ni80Fe20). Die Physiker platzierten die zehn mal zwei Mikrometer großen und 15 Nanometer dicken Rechtecke auf einem schmalen Goldstreifen. Schließlich legten die Forscher ein Magnetfeld parallel zur langen Seite der Rechtecke an – ein so genanntes longitudinales Feld, um die magnetischen Momente auszurichten. Danach schickten sie einen zehn Nanosekunden dauernden Strompuls durch die Goldleiterbahn, sodass für kurze Zeit ein Magnetfeld entgegen des statischen Magnetfelds auftrat. Dadurch wechselte die Magnetisierung der Probe zweimal kurz hintereinander die Richtung. Bei einem zweiten Versuch schalteten die Physiker außerdem noch ein weiteres Feld senkrecht zum longitudinalen Feld hinzu – ein so genanntes transversales Feld.
Während der Versuche deutete sich schon an, dass zwei verschiedene Arten des Umklappens der Magnetisierung auftraten. Bei einem longitudinalen statischen Feld dauerte es 3,5 Nanosekunden, bis die Magnetisierung auf den Puls reagierte. War aber zusätzlich auch ein transversales Feld angelegt, so ließ die Reaktion nicht länger als eine Nanosekunde auf sich warten.
Die Kerr-Aufnahmen erklären den Unterschied: Ohne ein transversales Feld entstanden zunächst kleine Regionen, in denen die magnetischen Momente schon in eine andere Richtung ausgerichtet waren. Diese wachsen, schmelzen zusammen bis schließlich das gesamte Rechteck in die andere Richtung magnetisiert war. Liegt ein zusätzliches transversales Feld an, so drehten sich alle Momente synchron. Es scheint so, als würde die Koordination der Bewegung hier für den schnelleren Umklappprozess verantwortlich sein. Das zusätzliche Feld gab vor, in welche Richtung sich die Momente zu drehen hatten. "Das ist ein bemerkenswertes Resultat," meint David Awschalom von der University of California in Santa Barbara, "das im Gegensatz zur bisherigen Auffassung solcher Prozesse an kleinen magnetischen Teilchen steht."
Mit dem neuen Wissen, ließen sich neuartige Schreibköpfe verwirklichen, die eine wesentlich höhere Datentransferrate zu bieten hätten. Die schnelle Kerr-Mikroskopie ermöglicht es zudem, Modelle zu prüfen, die bislang für den Entwurf mikro- und nanomagnetischer Bauteile genutzt wurden. Awschalom meint: "Diese Bilder sagen mehr als tausend Worte."
© Spektrum der Wissenschaft
Der Heidelberger Verlag Spektrum der Wissenschaft ist Betreiber dieses Portals. Seine Online- und Print-Magazine, darunter »Spektrum der Wissenschaft«, »Gehirn&Geist« und »Spektrum – Die Woche«, berichten über aktuelle Erkenntnisse aus der Forschung.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.