Magnetische Datenspeicherung

Traditionelle ferromagnetische Speicher

Festplattenlaufwerke waren bis zur Verfügbarkeit von Solid-State-Drives (SSDs) eines der am häufigsten verwendeten Speichermedien für private, öffentliche und firmeninterne Daten.

Während Festplatten im privaten Bereich an Bedeutung verlieren, sind sie noch immer das Speichermedium der Wahl in Rechenzentren und damit auch in der Daten-Cloud. Das Schreiben und Lesen von Daten erfolgt darin auf sich drehenden Festplatten (engl. hard disk drives, HDD) über einen mechanischen Arm mit integriertem Schreib-Lese-Kopf, ähnlich wie Musik über Plattenspieler abgespielt wird. Festplattenlaufwerke haben eine hohe Speicherkapazität, sind sehr kostengünstig pro gespeicherter Informationsmenge und erlauben ausreichend schnelle Datenzugriffe für den täglichen Betrieb. Für die langfristige Datenspeicherung kommen häufig die weniger bekannten Bandlaufwerke zum Einsatz, weil sie langlebig sind und niedrige Kosten pro Terabyte verursachen, allerdings mit dem Nachteil, dass sie beim Zugriff auf bestimmte Daten erst einmal an die richtige Position gespult werden müssen, was nur im Archivbetrieb akzeptabel ist. Das Speicherprinzip von Festplatten und Bandlaufwerken ist dabei sehr ähnlich: Es basiert auf magnetischen Effekten im Material.

Die magnetische Speicherung besteht aus einem Schreib- und einem Lesevorgang. Selbst bei den rotierenden Festplatten ist die Zugriffsgeschwindigkeit auf die Daten aufgrund der mechanischen Bewegung der Platte und des Arms begrenzt: Nicht jeder Ort der Festplatte ist sofort erreichbar, um gelesen oder beschrieben zu werden. Das ist ein großes Hindernis, das mit voll integrierten magnetischen Aufzeichnungstechnologien ohne bewegliche Teile überwunden werden kann.

Zum Schreiben werden in ferromagnetischen Medien magnetisch entkoppelte, kleine kristalline Körner mithilfe eines Elektromagneten magnetisiert. Bei modernen Festplatten steht diese Magnetisierung senkrecht zur Plattenebene, und die Korngröße liegt im Bereich von sieben bis zehn Nanometern im Durchmesser. Wenige Körner bilden zusammen eine Informationseinheit, ein magnetisches Bit, mit einer Breite von zehn bis 20 nm. Je kleiner die Körner, desto mehr Bits können in einen bestimmten Bereich der Plattenoberfläche gepackt werden und desto höher ist die Speicherdichte. Diese lässt sich weiter steigern, wenn man die Daten teilweise überlappend schreibt, ähnlich wie die Anordnung von Dachziegeln.

Die Körner können ihre Magnetisierung prinzipiell spontan umkehren, was einem Datenverlust gleichkommt. Um das zu verhindern, muss die sogenannte magnetische Anisotropie, also die Richtungsabhängigkeit der Magnetisierung, groß sein. Dies führt zu dem sogenannten Trilemma der magnetischen Speicherung: Das vom Miniaturelektromagneten erzeugte Magnetfeld ist durch das für den Schreibkopf verwendete Material begrenzt. Um ein großes Signal-Rausch-Verhältnis zu erzielen, muss eine möglichst große Anzahl kleiner Körner in einem Bit enthalten sein. Damit diese kleinen Körner thermisch stabil sind, muss die magnetische Anisotropie groß werden. Das Magnetfeld, das für die Umkehrung der Körner erforderlich ist, hängt wiederum von der magnetischen Anisotropie des Materials ab, sodass es widersprüch­liche Anforderungen an die thermische Stabilität und die Schreibfähigkeit gibt.

Um dieses Problem zu umgehen, kann man zum Beispiel durch einen Laserpuls lokal die magnetische Festplatte erhitzen, um auf diese Weise die benötigte Magnet­feld­stärke für das Schreiben des Speicherinhalts zu verringern. Dazu wird der integrierte Schreib-Lese-Kopf durch einen plasmonischen Wellenleiter ergänzt, der im Nahfeld Laserlicht auf einen Fokus von weniger als 100 nm unter dem Schreib-Lese-Kopf fokussiert. Nach dem durch die Erwärmung erleichterten Schreibvorgang kühlt die magnetische Schicht mit der gewünschten Orientierung des Speicherinhalts wieder ab und ist danach stabil auslesbar. Erste Festplatten, die mit diesem Prinzip arbeiten, wurden im Jahr 2018 auf den Markt gebracht.

Eine weitere Möglichkeit ist es, die magnetische Festplatte lokal mit Mikrowellen im Frequenzbereich von 20-40 GHz zu bestrahlen, um auf diese Weise die benötigte Energie bereitzustellen, die für die Senkung der Schreibfeldstärke benötigt wird.

Um die Daten wieder auszulesen, wird ein magnetischer Sensor verwendet, der in den Lesekopf integriert ist. Die ersten integrierten Leseköpfe basierten auf dem Prinzip des anisotropen Magnetwiderstands (AMR-Effekt): Bei einem stromdurchflossenen Sensor variiert der elektrische Widerstand in Abhängigkeit vom Winkel zwischen Magnetisierungsrichtung und Stromfluss: Er ist am größten, wenn das Magnetfeld in oder gegen die Stromrichtung ausgerichtet ist, und am kleinsten, wenn das Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung liegt. Mit einem weichmagnetischen Sensormaterial lassen sich die kleinen Magnetfeldänderungen zwischen den Bits über die Änderung des elektrischen Widerstands messen.

Riesenmagnetowiderstand

Weniger als zehn Jahre nach der Entdeckung des Riesenmagnetowiderstands (Giant MagnetoResistance, GMR) 1988 durch Peter Grünberg und Albert Fert (Nobelpreis 2007) wurden AMR-Sensoren durch GMR-Sensoren ersetzt, die aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften bestehen. Weitere zehn Jahre später wurde diese Technologie durch die noch empfindlicheren Tunnelmagnetwiderstandssensoren (engl.. Tunneling Magneto­Resis­tance, TMR) abgelöst.

Elektronen besitzen neben ihrer negativen elektrischen Elementarladung auch ein winziges elementares magnetisches Dipolmoment, das so genannte Spin-Dipolmoment. Fließt ein elektrischer Strom durch einen Ferromagneten, so bewegen sich Elektronen durch ihn hindurch. Bei den meisten von ihnen sind die Spin-Dipolmomente entlang der Magnetisierungsrichtung des Ferromagneten ausgerichtet. Man spricht von einem spinpolarisierten Strom, der sogar dann spinpolarisiert bleibt, wenn er den Ferromagneten verlässt und z. B. durch eine dünne nichtmagnetische Schicht in einen benachbarten Ferromagneten fließt. Sind die Magnetisierungsrichtungen beider Ferromagneten parallel ausgerichtet, können die spinpolarisierten Elektronen ungehindert auch in den zweiten Ferromagneten fließen. Der elektrische Widerstand ist dann gering. Sind die Magnetisierungsrichtungen hingegen antiparallel ausgerichtet, werden die spinpolarisierten Elektronen an den ferromagnetischen Grenzflächen stark gestreut, was zu einem hohen elektrischen Widerstand führt.

Dieses spinabhängige Streuen der Elektronen und die damit verbundene Widerstandsänderung ist umso größer, je besser die Spinpolarisation des Elektronenstroms beim Durchgang durch die nichtmagnetische Schicht erhalten bleibt. Sie kann durch eine sehr dünne einkristalline Magnesiumoxidschicht sogar noch verstärkt werden, etwa beim quantenmechanischen Tunneltransport. Dabei werden einige Elektronen unterdrückt, während andere nahezu ungehindert tunneln können. Die Elektronen, die passieren können, haben eine besonders hohe Spinpolarisation. Die entsprechenden Widerstandsänderungen beim spinabhängigen Tunneln können dann mehr als 100% betragen. Handelt es sich bei der Zwischenschicht um ein nichtmagnetisches Metall, spricht man vom Riesenmagnetowiderstand oder GMR-Effekt, bei dem die Widerstandsänderung immerhin noch bis zu 100% betragen kann.

Sensoren, die auf dem TMR-Effekt beruhen, bilden auch das Herzstück von nichtflüchtigen Magnetspeichern – also Speichern, auf denen Daten lange bewahrt werden und nicht verloren gehen. In einem Dreilagensystem aus einer ferromagnetischen Sensorschicht, einer ultradünnen Tunnelbarriere und einer zweiten ferromagnetischen Referenzschicht lesen diese Sensoren die Magnetisierung aus. Andererseits lässt sich in diesem Schichtsystem die Magnetisierungsrichtung in der Sensorschicht durch einen ausreichend starken Strompuls schalten. Erste nichtflüchtige magnetische Speicher dieser Art – MRAMs – sind seit wenigen Jahren auf dem Markt.

Schalten mit Strompulsen

Besonders große Fortschritte hinsichtlich Energieeffizienz und Miniaturisierung magnetischer Speicher wurden erzielt, indem die magnetische Ordnung mit spinpolarisierten elektrischen Strömen oder sogar mit Spinströmen geschaltet wird. Bei Spinströmen werden im Gegensatz zu elektrischen Strömen nicht die elektrischen Ladungen, sondern nur die spinmagnetischen Momente der Elektronen transportiert, was zu deutlich geringeren thermischen Verlusten führt. Solche neuartigen Magnetspeicher, die auf dem Transfer spin­magnetischer Momente basieren, werden seit 2013 kommerziell für deutlich beschleunigte Computerarchitekturen eingesetzt und könnten auch die Grundlage für Memristor-Magnetspeicherbauelemente in zukünftigen „Brain-inspired Computing“-Anwendungen bilden.

Exchange-Bias-Effekt

Magnetische Ordnung entsteht grundsätzlich durch die Austauschwechselwirkung. Dabei tauschen Atome untereinander Elektronen aus, weil es energetisch vorteilhaft ist. Diese Wechselwirkung kann auch zwischen Atomen an Grenzflächen stattfinden, z. B. am Übergang zwischen einer ferromagnetischen und einer antiferromagnetischen Schicht. In diesem Fall kann die gegen äußere Magnetfelder resistente antiferromagnetische Ordnung die Magnetisierung der angrenzenden ferromagnetischen Schicht an sich binden. Erst bei starken Magnetfeldern, die diese Bindung brechen, lassen sie eine Ausrichtung der Magnetisierung entsprechend des angelegten Felds zu.

Antiferromagnete sind am ehesten in der Nähe der kritischen Néel-Temperatur magnetisierbar. Das ist die Temperatur, oberhalb derer ein Antiferromagnet seine magnetische Ordnung verliert und paramagnetisch wird. Erwärmt man nun einen Antiferromagneten bis nahe der Néel-Temperatur und kühlt ihn anschließend unter gleichzeitigem Anlegen eines starken Magnetfelds ab, so kann man dem Antiferromagneten eine Vorzugsrichtung der antiferromagnetischen Ordnung aufprägen. In einem bestimmten Temperaturbereich bleibt diese Vorzugsrichtung erhalten. Bringt man den Antiferromagneten dann mit einem Ferromagneten in Kontakt, so gibt der Antiferromagnet eine Vorzugsrichtung der magnetischen Momente vor. Dieser „Exchange-Bias-Effekt“ ermöglicht die Realisierung von Magnetfeldsensoren und magnetischen Speicherelementen auf Basis des GMR- und TMR-Effekts, wie sie zum Beispiel in Festplatten verwendet werden. Dies ist die derzeit einzige Anwendung von Antiferromagneten in heutigen Magnetfeldsensoren und Speicherbauelementen und wird zur Stabilisierung der Referenzmagnetisierungsrichtung genutzt.

Antiferromagnete als potenzielle Speicher

Im Gegensatz zu der seit Jahrtausenden bestehenden Faszination für Ferromagnete und deren vielfältige Verwendungen wurden antiferromagnetische Materialien, die erst seit etwa 100 Jahren bekannt sind, bisher kaum für praktische Anwendungen in Betracht gezogen. Der Grund dafür liegt in der alternierenden Anordnung der mikroskopischen magnetischen Momente, die zu keiner makroskopischen Magnetisierung führt und deren magnetische Ordnung sich deshalb nur schwer nachweisen und durch äußere Magnetfelder kaum beeinflussen lässt. Selbst der Entdecker des Antiferromagnetismus, Louis Néel, fand diese Materialien „interessant, aber nutzlos für praktische Anwendungen.“ Grundsätzlich erfüllen aber auch Antiferromagnete die Voraussetzung für eine gerichtete magnetische Ordnung, die man für nichtflüchtige Datenspeicherung nutzen kann.

Elektrisches Schalten von Antiferromagneten

Wie lässt sich die mikroskopische Ordnung in einem Antiferromagneten also am besten beeinflussen? Erste Experimente zeigen, dass ein Schalten durch Strompulse möglich ist. Dahinter steckt ein Effekt der speziellen Relativitätstheorie: Ein statisches elektrisches Feld wandelt sich in einem relativ dazu bewegten Bezugssystem in ein magnetisches Feld um. In einigen antiferromagnetischen Kristallen existiert am Ort der magnetischen Atome lokal ein elektrisches Feld, das als Kristallfeld bezeichnet wird.

Besitzt der Kristall außerdem eine sogenannte p(arity)-t(imereversal)-Symmetrie, so ist die Ausrichtung des elektrischen Kristallfelds bei magnetischen Atomen, die zu unter­schied­lichen magnetischen Untergittern gehören, genau entgegengesetzt. Fließt durch einen solchen pt-symmetrischen Anti­ferro­magneten ein Strom, so „spüren“ die Elektronen, die sich im Kristall bewegen, an den Positionen der magnetischen Atome, die zu verschiedenen magnetischen Untergittern gehören, ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfeld. Entsprechend richten sich dort die magnetischen Spinmomente der Elektronen entgegengesetzt aus. Ähnlich wie beim Spintransfer bei Ferromagneten können die dann atomar alternierenden Elektronenspins auf die ebenfalls atomar alternierende antiferromagnetische Ordnung übertragen werden. Durch die Übertragung der lokal alternierenden Spinpolarisation kann die antiferromagnetische Ordnung durch einen Strompuls umgekehrt werden.

Dabei könnten Antiferromagnete im Vergleich zu Ferromagneten um Größenordnungen schneller schalten. Betrachtet man z. B. die Dynamik der Magnetisierung eines Ferromagneten, so bleiben die einzelnen atomaren magnetischen Momente während der Anregung untereinander parallel gekoppelt. Die Schaltgeschwindigkeit wird dann nur durch das interne magnetische Anisotropiefeld und eventuell noch durch ein von außen angelegtes Magnetfeld bestimmt. Typischerweise erreicht man hier Schaltzeiten im Bereich von einer Nanosekunde (10⁻⁹ s). Bei Antiferromagneten, die aus mindestens zwei magnetischen Untergittern bestehen, verkippen während der Anregung die magnetischen Momente verschiedener Untergitter gegeneinander, sodass dann die antiferromagnetische Ordnung sich nicht nur – wie beim Ferro­magneten – in der Richtung, sondern auch im Betrag zeitlich ändert. Das dadurch dann auf die magnetischen Momente wirkende antiferromagnetische Austauschfeld ist verantwortlich für die sehr schnelle Dynamik von Antiferromagneten und kann Umschaltzeiten innerhalb von Pikosekunden (10⁻¹² s) ermöglichen.

Lange Zeit ging man aber davon aus, dass eine 180°-Umschaltung der antiferromagnetischen Ordnung auf makroskopischer Ebene keinen Unterschied macht, da sich die magnetischen Momente immer noch gegenseitig aufheben. Eine Kodierung und Speicherung von Information galt daher lange Zeit als ausgeschlossen.

Vor einigen Jahren ist es neben dem stromabhängigen Umschalten der antiferromagnetischen Ordnung aber auch gelungen, durch nichtlineare Magnetotransportmessungen den elektrischen Nachweis des elektrischen Schaltens entgegengesetzt gerichteter antiferromagnetischer Orientierungen zu erhalten. Ohne dabei den antiferromagnetischen Zustand dauerhaft zu modifizieren, bewirkt bei nichtlinearen Messungen ein Probestrom eine geringfügige Modifikation der antiferromagnetischen Zustände in Abhängigkeit von deren entgegengesetzter magnetischer Ordnung. Diese Modifikation führt wiederum zu einer leichten Änderung des Probestroms, die man durch genaue elektrische Messungen detektieren kann.

Ausblick: Nichtkollineare Antiferromagnete und Altermagnete

Auch Antiferromagnete besitzen Anwendungspotenzial im Bereich energiesparender Speicherbauelemente. Allerdings werden nur bei ganz bestimmten antiferromagnetisch geordneten Systemen größere magnetische Transporteffekte wie GMR und TMR erwartet, die in magnetischen Speichern zum Detektieren des antiferromagnetischen Zustands benötigt werden. Zu diesen Systemen gehören die nichtkollinearen Antiferromagnete und Altermagnete. Wie bei konventionellen Antiferromagneten kompensieren sich auch hier die atomaren magnetischen Momente, auch sie besitzen keine makroskopische Magnetisierung. Die spezielle Kristallstruktur und die Anordnung der atomaren magnetischen Momente im Kristall erlauben jedoch bei diesen Systemen, ähnlich wie bei Ferromagneten, eine Spinpolarisation der elektrischen Ströme. Unter bestimmten Bedingungen können sogar ausschließlich magnetische Spinmomente transportiert werden, ohne dass dabei gleichzeitig elektrische Ladungen fließen. Auch kann ein Temperaturgefälle in diesen Systemen zum Spintransport führen. Umgekehrt ist zu erwarten, dass mit Spinströmen auch die makroskopische antiferromagnetische Ordnung manipuliert werden kann. Im Gegensatz zu Ferromagneten sollte dies bei Systemen mit antiferromagnetischer Ordnung im ultraschnellen Pikosekundenbereich möglich sein.

Christian Back und Jörg Wunderlich