Forschungsbits: 26. März

Skyrmion-Schalter

Forscher der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung (A*STAR) und der National University of Singapore machten sich das zunutze Skyrmionen einen Switch zu bauen, der das Potenzial hat, Daten schneller zu verarbeiten und dabei deutlich weniger Energie zu verbrauchen.

Skyrmionen sind magnetische Wirbel, die sich in sehr dünnen Metallschichten bilden und effizient zwischen magnetischen Regionen bewegt werden können. Mithilfe eines magnetischen Tunnelübergangs führte das Team eine elektrische Auslesung eines Skyrmions und ein elektrisches Schalten zwischen Zuständen durch und stellte fest, dass das Schalten zwischen Zuständen 1,000-mal weniger Strom verbrauchte als kommerzielle Geräte. Sie fanden außerdem heraus, dass mit einem einzigen Gerät mehr als zwei Zustände erreicht werden können.

(Links) Künstlerische Darstellung des skyrmionischen mikroelektronischen Geräts. (Rechts) 200-mm-Gerätewafer mit über 100,000 mikroelektronischen Skyrmion-Geräten (Quelle: A*STAR und NUS)

Die Skyrmion-basierten Geräte wurden auf 200-mm-Siliziumwafern unter Verwendung von Materialien und Methoden hergestellt, die bereits in Gießereien verwendet werden. Das Team hofft, dass der Schalter mit einer weiteren Verfeinerung der elektrischen Leistung mithilfe etablierter Ansätze in Mikroprozessoren integriert werden kann. [1]

Spiralmagnete

Forscher der Tohoku-Universität und der Toho-Universität schlagen die Verwendung vor Spiralmagnete um ein magnetisches Speichergerät mit reduziertem Übersprechen zwischen magnetischen Bits zu schaffen.

Bei Spiralmagneten sind die Richtungen der atomaren magnetischen Momente spiralförmig angeordnet. Die Chiralität bzw. Rechts- und Linkshändigkeit der Spirale könnte zur Speicherung von Informationen genutzt werden. Die durch jedes atomare magnetische Moment induzierten Magnetfelder heben sich gegenseitig auf, sodass die Spiralmagnete kein makroskopisches Magnetfeld erzeugen. „Speichergeräte, die auf der Händigkeit der Helimagnete basieren und kein Übersprechen zwischen Bits aufweisen, könnten einen neuen Weg zur Verbesserung der Speicherdichte ebnen“, sagte Hidetoshi Masuda, Assistenzprofessor am Institut für Materialforschung der Universität Tohoku, in einer Pressemitteilung.

Das Chiralitätsgedächtnis kann bei Raumtemperatur beschrieben und ausgelesen werden. Das Team stellte epitaktische Dünnfilme aus einem Raumtemperatur-Helimagneten MnAu her₂ und demonstrierten den Wechsel der Chiralität durch elektrische Stromimpulse unter Magnetfeldern. Sie stellten auch ein Doppelschichtgerät aus MnAu her₂ und Platin und zeigten, dass das Chiralitätsgedächtnis auch ohne Magnetfelder als Widerstandsänderung ausgelesen werden kann. [2]

Silikonkompatible Magnetwirbel

Forscher der Universität Oxford, der National University of Singapore und des Paul Scherrer Instituts konnten erstellen magnetische Wirbel in Membranen das sich nahtlos in Silizium integrieren lässt. Magnetische Wirbel in Antiferromagneten haben das Potenzial, als viel schnellere Informationsträger zu fungieren, konnten aber nur auf starren Kristallvorlagen erzeugt werden.

Um sie auf Silizium zu ermöglichen, sagte Paolo Radaelli, Professor an der Universität Oxford, in einer Erklärung, dass das Team „ultradünne kristalline Membranen aus Hämatit (dem Hauptbestandteil von Rost und damit dem am häufigsten vorkommenden Antiferromagneten) herstellte, die sich seitlich über makroskopische Dimensionen erstreckten.“ Solche Membranen sind in der Welt der kristallinen Quantenmaterialien relativ neu und vereinen die vorteilhaften Eigenschaften sowohl von massiven 3D-Keramiken als auch von 2D-Materialien und sind zudem leicht übertragbar.“

Die Hämatitschicht wurde auf einer Kristallvorlage aufgewachsen, die mit einer Opferschicht aus einer Zementkomponente beschichtet war, die dann in Wasser gelöst wurde, um das Hämatit von der Kristallbasis zu trennen. Schließlich wurde die freistehende Hämatitmembran auf Silizium und mehrere andere wünschenswerte Plattformen übertragen.

„Eine unserer aufregendsten Entdeckungen war die extreme Flexibilität unserer Hämatitmembranen“, fügte Hariom Jani, Postdoktorand an der Universität Oxford, in einer Pressemitteilung hinzu. „Im Gegensatz zu ihren starren, keramikähnlichen Massengegenstücken, die zum Brechen neigen, können unsere flexiblen Membranen in verschiedene Formen gedreht, gebogen oder gekräuselt werden, ohne zu brechen. Wir haben diese neu gewonnene Flexibilität genutzt, um magnetische Wirbel in drei Dimensionen zu entwerfen, was zuvor nicht möglich war. In Zukunft könnte die Form dieser Membranen optimiert werden, um völlig neue Wirbel in 3D-Magnetkreisen zu erzeugen.“ [3]

Bibliographie

[1] Chen, S., Lourembam, J., Ho, P. et al. Vollelektrischer skyrmionischer magnetischer Tunnelübergang. Natur 627, 522–527 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07131-7

[2] Masuda, H., Seki, T., Ohe, Ji. et al. Chiralitätsumschaltung und Detektion bei Raumtemperatur in einem helimagnetischen MnAu2-Dünnfilm. Nat Commun 15, 1999 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46326-4

[3] Jani, H., Harrison, J., Hooda, S. et al. Räumlich rekonfigurierbare antiferromagnetische Zustände in topologisch reichen freistehenden Nanomembranen. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01806-2