Zeitaufgelöste Messung im Datenspeicher

Am Departement Materialwissenschaft der ETH Zürich erforschen Pietro Gambardella und seine Mitarbeiter die Datenspeicher von morgen. Schnell sollen sie sein, Daten lange und zuverlässig speichern und zudem auch noch wenig kosten. Diese Quadratur des Kreises leisten so genannte magnetische «Random Access Memories» oder Direktzugriffsspeicher (MRAM), die schnelles Schalten über elektrische Ströme mit dauerhafter Speicherung in magnetischen Materialien verbinden. Schon vor einigen Jahren konnten die Forscher zeigen, dass ein bestimmter physikalischer Effekt – das Spin-​Bahn-Drehmoment – eine besonders schnelle Datenspeicherung ermöglicht. Nun ist es Gambardellas Arbeitsgruppe in Zusammenarbeit mit dem Forschungs-​ und Entwicklungszentrum IMEC in Belgien gelungen, den genauen Ablauf eines einzelnen solchen Speichervorgangs zeitlich aufzulösen - und ihn mit einigen Tricks noch schneller zu machen.

Um Daten magnetisch zu speichern, muss man die Magnetisierungsrichtung eines ferromagnetischen (also dauerhaft magnetischen) Materials umkehren, um so die Information als logischen Wert 0 oder 1 darzustellen. In älteren Technologien wie etwa Magnetbändern oder Festplatten geschieht das mittels Magnetfeldern, die in stromdurchflossenen Spulen erzeugt werden.

Moderne MRAM-​Speicher dagegen nutzen direkt die Spins von Elektronen, die wie kleine Kompassnadeln magnetisch sind und als Strom direkt durch eine magnetische Schicht fliessen. In Gambardellas Experimenten werden dabei durch die Spin-​Bahn-Wechselwirkung Elektronen mit entgegengesetzten Spinrichtungen räumlich getrennt. Dadurch wiederum entsteht ein effektives Magnetfeld, durch dessen Einfluss die Magnetisierungsrichtung eines winzigen Metallpunktes umgekehrt werden kann.

«Wir wussten aus früheren Experimenten, in denen wir einen einzigen magnetischen Metallpunkt stroboskopisch mit Röntgenstrahlen abtasteten, dass die Magnetisierungsumkehr sehr schnell erfolgt, in etwa einer Nanosekunde», sagt Eva Grimaldi, Postdoktorandin in Gambardellas Arbeitsgruppe. «Das waren allerdings gemittelte Werte über viele Umkehrvorgänge. Nun wollten wir wissen, wie genau ein einzelner Vorgang abläuft und zeigen, dass er in einem industriekompatiblen Magnetspeicher funktioniert.»