Die Cloud revolutionieren

Eine Forschungskooperation mit Konstanzer Beteiligung untersucht die Magnetisierungsdynamik von Seltenen Erden im Hinblick auf ihre Eignung zur ultraschnellen Datenspeicherung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Freien Universität Berlin sowie der Universitäten Prag, Uppsala und Konstanz ist ein Beitrag zum grundlegenden Verständnis der Magnetisierungsdynamik in einem Material mit hoher magnetischer Anisotropie gelungen, die für die digitale Datenspeicherung entscheidend ist.

Mit Beteiligung des Physikers Prof. Dr. Ulrich Nowak von der Universität Konstanz verglichen die Forscherinnen und Forscher in ihrer Arbeit mittels aufwendiger Experimente und Computersimulationen die Seltenen Erden Gadolinium (Gd) und Terbium (Tb). Sie konnten einen neuen Mechanismus nachweisen, der innerhalb einer Picosekunde, und damit tausendmal schneller als derzeit auf einer Festplatte möglich, zur Entmagnetisierung führt – und damit potenziell zum Schalten eines Bits. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances publiziert.

Die seltenen Erdmetalle sind eigentlich nicht so selten, wie zur Zeit ihrer Namensgebung gedacht, und sie haben ganz besondere Eigenschaften. Mischt man zum Beispiel Seltene Erden in einer Legierung mit Eisen und Kobalt, lässt sich die Magnetisierung dieses Metalls mit einem einzigen Laserpuls umschalten. Dies als „all-optical switching“ bezeichnete Verfahren ist im Besonderen für die Massenspeicherung von Daten relevant, da es tausendmal schnelleres Schalten als in herkömmlichen magnetischen Massenspeichern verspricht und die heutige magnetisch funktionierende Cloud-Technik revolutionieren könnte.

Dieser neuartige Prozess wird quasi durch die hohe Anisotropie getrieben, die hier bewirkt, dass die Magnetisierung – dem Binärsystem eines digitalen Speichers gemäß – senkrecht zum magnetischen Film ausgerichtet sind und die Ausdruck der starken Kopplung zwischen Gitter, Bahnmoment und Spins ist.

Die Seltenen Erden Gd und Tb

Materialien mit sehr hoher magnetischer Anisotropie werden bereits verwendet, um Bits in magnetischen Festplatten mit immer größerer Speicherdichte zu stabilisieren. Um diese Bits zu schalten, wird zukünftig eine Technik mit der Abkürzung HAMR benötigt. Bei diesem „heat-assisted magnetic recording“ erhitzt ein Laserpuls lokal das Material, wodurch ein Bit im angelegten Magnetfeld geschaltet werden kann.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler konzentrierten sich in ihrer Forschung auf die Seltenen Erden Gd und Tb. In diesen magnetischen Materialien wird die magnetische Ordnung von den stark an den Atomkern gebundenen 4f-Elektronen getragen. Diese treten in Wechselwirkung und richten sich aus. Gd hat sieben, Tb acht 4f-Elektronen. Die Forscherinnen und Forscher haben bewiesen, dass die Zahl der 4f-Elektronen der Schlüssel für das unterschiedliche Verhalten beider Materialien ist: Gd zeigt kaum magnetische Anisotropie, Tb extrem starke.

Besonders starke Kopplung der magnetischen Momente an das Kristallgitter

Die bevorzugte Orientierung der Magnetisierung in der Seltenen Erde Tb entlang einer Kristallachse rührt von einer besonders starken Kopplung der magnetischen Momente an das Kristallgitter her. Regt man den Kristall mit einem Laser an, so reagieren die 4f-magnetischen Momente besonders stark auf das heiße Gitter. Die Kopplung zwischen Gitter und Spinsystem ist so stark, dass sie nach der Laseranregung innerhalb von wenigen Picosekunden, Billionstel einer Sekunde, zum Zusammenbruch der Magnetisierung führt. Das Seltene Erdmetall Gd hat eine viel schwächere Kopplung, weshalb es die viel geringere Anisotropie aufweist. Es hängt somit vom Material ab, wie gut die HAMR-Technik funktioniert.

Faktenüberblick:
• Originalpublikation: B. Frietsch, A. Donges, R. Carley, M. Teichmann, J. Bowlan, K. Döbrich, K. Carva, D. Legut, P. M. Oppeneer, U. Nowak, M. Weinelt: The role of ultrafast magnon generation in the magnetization dynamics of rare-earth metals. (2020). in: Science Advances 6, eabb1601 (2020). DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.abb1601
• Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von Seltenen Erden im Hinblick auf ihre Eignung zur ultraschnellen Datenspeicherung
• Forschungskooperation der Freien Universität Berlin sowie der Universitäten Prag, Uppsala und Konstanz
• Mit Beteiligung von Prof. Dr. Ulrich Nowak, Leiter der Arbeitsgruppe Magnetische Materialien an der Universität Konstanz

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Bildunterschrift: Prof. Dr. Ulrich Nowak.
Bild: Universität Konstanz

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Bildunterschrift: Ein starker Laserpuls zerstört die magnetische Ordnung der stark lokalisierten 4f-Elektronen in der Seltenen Erde Tb auf der Picosekunden-Zeitskala.
Bild: AG Nowak

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