Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Arbeitsgruppe 2.52

Nanomagnetismus




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Magnetische Abbildung

Der Bereich Magnetische Abbildung befasst sich mit der Charakterisierung nanoskaliger magnetischer Strukturen. Dazu werden hochauflösende Abbildungsverfahren entwickelt. Die Methoden, die hier zum Einsatz kommen, sind insbesondere die Rasterkraftmikroskopie (pdf), ergänzt u.a. durch Messungen mit einem SQUID-Suszeptometer und Kerr-Magnetometrie.
Schwerpunkte der Arbeiten sind:

Entwicklung einer quantitativen Magnetkraftmikroskopie (pdf):
Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung eines Verfahrens für die rückführbare Messung von Magnetisierung und Feldern auf Nanometer-Skala.
Bereitstellung von Messtechnik für die Charakterisierung von Nanostrukturen
Beispiele für aktuelle Arbeiten:
- Magnetische Nanopartikel (MNPs) für die Medizintechnik (pdf)
  (BMBF-Projekt QuaNTAMed)
- Dipolare magnetische Wechselwirkungen in Gittern hartmagnetischer Dots (pdf)

Magnetisierungsdynamik

Magnetische Speichermedien wie Festplatten und Magnetbänder spielen in der Speicherung digitaler Daten schon seit langem eine herausragende Rolle. Wie auch in anderen Bereichen der Informationstechnologie ist bei solchen Magnetspeichern eine rasante Entwicklung in Bezug auf Speicherdichte und Zugriffsgeschwindigkeit im Gange, deren Ende zwar immer wieder prophezeit wird, aber letztendlich noch nicht absehbar ist [1].

Eine neue mögliche Anwendung der magnetischen Datenspeicherung bietet das MRAM, das Magnetic Random Access Memory [2]. Das MRAM ist ein Festkörperspeicher in dem die digitale Information nicht, wie sonst üblich, in Form elektrischer Ladung gespeichert wird, sondern über die Orientierung der Magnetisierung in magnetischen Zellen. Eine Skizze eines solchen MRAM ist in Abbildung 1 gezeigt. Der Speicherzustand der magnetischen Zellen wird elektrisch z.B. über den Riesen-Magnetowiderstand (GMR) oder den Tunnel-magnetowiderstand (TMR) ausgelesen.

		Zum Schreiben der Daten werden lokale Magnetfeldpulse angelegt, die über ein Netz metallischer Leiterbahnen erzeugt werden. Im Gegensatz zu den bisher verwendeten magnetischen Datenspeichern, kommt das MRAM somit ohne bewegliche Teile aus MRAM erlauben neben der nichtflüchtigen Informationsspeicherung unter anderem auch noch einenschnellen Zugriff, eine hohe Integrationsdichte, eine unbeschränkte Anzahl von Schreib- und Lesezyklen und niedrige Betriebsspannungen. Diese Vielzahl von Vorteilen ermöglicht den MRAM einen sehr breiten Einsatzbereich als „universelle Speicherchips“.
Abbildung 1: Skizze einer MRAM-Speichermatrix mit TMR-Speicherzellen (grün) und gekreuzten Leiterbahnen für den Schreibvorgang. Um die markierte Zelle zu schalten wird durch die sich an der Zelle kreuzenden Leiterbahnen ein Strompuls geschickt. Das am Kreuzungspunkt erzeugte gekippte Magnetfeld schaltet dann die Zellmagnetisierung.

Ein wichtiger Punkt für die zukünftige Anwendung von Festplatten und MRAM ist die maximale Geschwindigkeit, mit der die digitalen Daten auf dem Speicher abgelegt werden können. Da der Schreibvorgang aber letztendlich immer auf die Ummagnetisierung einer magnetische Zelle hinausläuft, ist dieser Punkt auch direkt mit einer grundlegenden physikalischen Fragestellung verknüpft: Wie schnell lässt sich die Magnetisierung eines Ferromagneten umkehren?

Diese Fragestellung wird in den hier beschriebenen Arbeiten untersucht. Durch zeitaufgelöste Magnetotranportmessungen wird die ferromagnetische Präzessionsbewegung der Magnetisierung detektiert. Mit dieser Messmethode wird das ultra schnelle Schalten der Magnetisierung untersucht und neue Bitanteuerungsverfahren für schnelle Magnetspeicher getestet.

Literatur:

[1] see e.g. Ed. Grochowski, HDD Roadmap, published online by Hitachi Global Storage inc., http://www.hitachigst.com/hdd/hddpdf/tech/hdd_technology2003.pdf

[2] S. S. P. Parkin, K. P. Roche, M. G. Samant, P. M. Rice, R. B. Beyers, R. E. Scheuerlein, E. J. O'Sullivan, S. L. Brown, J. Bucchigano, D. W. Abraham, Yu Lu, M. Rooks, P. L. Trouilloud, R. A. Wanner, und W. J. Gallagher, J. Appl. Phys. 85, 5828 (1999).

[3] S. Tehrani, B. Engel, J.M. Slaughter, E. Chen, M. DeHerrera, M. Durlam, P. Naji, R. Whig, J. Janesky, und J. Calder, IEEE Trans. Magn. 36, 2752 (2000).

Kontakt

Arbeitsgruppenleiter		PD Dr. Hans Werner Schumacher Tel.: 0531 592 2500 Fax: 0531 592 1016 E-Mail: Hans Werner Schumacher


Anschrift		Physikalisch-Technische Bundesanstalt Arbeitsgruppe 2.52 Bundesallee 100 38116 Braunschweig

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