Den Beweis für die Machbarkeit solch schneller Datenquellen liefern Forschende des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und der TU Dortmund. Anstelle von elektrischem Strom verwenden sie ultrakurze Terahertz-Lichtpulse, um magnetische Strukturen in Pikosekunden auszulesen.
Magnetische Ausrichtung mit Licht bestimmen
„Mit Licht lässt sich die magnetische Ausrichtung eines Materials viel schneller bestimmen als mit Strompulsen“, sagt Dr. Jan-Christoph Deinert vom Institut für Strahlenphysik am HZDR laut einer Mitteilung des Forschungszentraums. Der Physiker nutzte dazu das Licht der Terahertz-Strahlung mit einer Wellenlänge von knapp 1 mm. Mit der Strahlungsquelle Elbe am HZDR als Lichtquelle erzeugten Wissenschaftler kurze und intensive Terahertz-Pulse. Damit konnten sie die Magnetisierung von dünnen Materialproben analysieren.
Die Proben bestanden aus mindestens zwei übereinander gelagerten Schichten. Die untere Schicht bestand aus einem magnetischen Material, beispielsweise Kobalt oder einer Eisen-Nickel-Legierung. Die obere Schicht war aus Platin, Tantal oder Wolfram. Keine dieser metallischen Lagen war dabei dicker als 3 nm. „Nur, wenn die Schichten so dünn sind, kann das Material von einem Teil der Terahertz-Strahlung durchdrungen werden“, erläutert Deinert. Das ist eine Voraussetzung, um die Magnetisierung der unteren Schicht mit Licht auslesen zu können.
Einfaches Material, komplexer Mechanismus
„In unseren Experimenten erzeugen die Terahertz-Blitze Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie“, sagt Dr. Ruslan Salikhov vom Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR. Zuerst erzeugen die Terahertz-Pulse mit ihrem elektrischen Feld Ströme in der oberen Metallschicht. Die Elektronen sortierten sich hierbei je nach Ausrichtung ihres Spins, und es entsteht ein Spinstrom senkrecht zu den Schichten. An der Grenzfläche zwischen den Schichten häufen sich Elektronen mit einer Spin-Ausrichtung an. Je nach Ausrichtung zwischen diesen Spins und der Magnetisierungsrichtung der unteren Schicht ändert sich der elektrische Widerstand der Grenzfläche. Dieser Effekt heißt unidirektionale Spin-Hall-Magnetoresistenz (USMR).
Der USMR-Effekt wurde vor wenigen Jahren an der ETH Zürich entdeckt. Doch das HZDR-Team ging weiter. Dank dieses Effekts können die Forschenden die Magnetisierungsrichtung äußerst schnell auslesen. Die Terahertz-Pulse sorgen dafür, dass der Spinstrom etwa eine Billion Mal pro Sekunde seine Richtung wechselt. Der elektrische Widerstand der Grenzschicht variiert damit dank dem USMR-Effekt ebenfalls ultraschnell. Und damit sorgt der Quanteneffekt für eine Rückkopplung auf die Terahertz-Strahlung selbst: „Je nach Ausrichtung der Magnetisierung erzeugen wir eine schnelle Fluktuation der Transparenz der Probe“, sagt Dr. Sergey Kovalev von der TU Dortmund. Dies verändert die Terahertz-Pulse: Nach Durchdringung der Probe erhalten sie eine Oberschwingung mit der doppelten Frequenz der ursprünglichen Terahertz-Strahlung.
Forscher arbeiten bereits daran, die magnetisch gespeicherten Daten mit Terahertz-Strahlung nicht nur auszulesen, sondern auch zu schreiben. Aber das Team weiß auch, dass es bis zu einer ultraschnellen Festplatte noch sehr weit sein kann.