Magnetische Eigenschaften eines neuen nanoporösen Materials zur Datenspeicherung erregen Aufmerksamkeit

Elektronische Geräte, die Daten durch Magnetisierung speichern, bedienen sich des Prinzips der magnetischen Umschaltung, die normalerweise durch lokale, mit elektromagnetischer Induktion erzeugte Magnetfelder oder durch den Spin-Transfer-Torque-Effekt infolge spinpolarisierter elektrischer Ströme erreicht wird. Beide dieser Systeme setzen allerdings relativ starke elektrische Ströme voraus, die die Materialien erwärmen und so nach dem ersten Jouleschen Gesetz durch Wärmeabfuhr zu erheblichen Energieverlusten führen.

Die Energieeffizienz ließe sich erhöhen, wenn man mit schwächeren Magnetfeldern und elektrischen Strömen arbeiten könnte. Dies ließe sich wiederum erreichen, indem die Koerzitivkraft (die Fähigkeit, einem externen Magnetfeld ohne Entmagnetisierung zu widerstehen) des angesprochenen Materials gesenkt wird. Mit den jüngsten Fortschritten in diesem Bereich konnten nur bei Temperaturen von unter 300 Kelvin und nur mit ultradünnen Schichten oder Nanopartikeln wesentliche Fortschritte erzielt werden. Die Partner des EU-finanzierten Projekts SPIN-PORICS verkündeten kürzlich jedoch die erfolgreiche Entwicklung eines neuen, schwammähnlichen Materials, das weitere Fortschritte verspricht.

Ein neuer Prototyp aus Nanoverbundmaterial

Die Forscher des Projekts SPIN-PORICS (Merging Nanoporous Materials with Energy-Efficient Spintronics) berichteten in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials, dass ihnen auf Grundlage von Kupfer-Nickel-Legierungen (CuNi) die Herstellung der ersten Prototypen nanoporöser Magnetspeicher gelungen war. Die innere Struktur dieser CuNi-Schichten glich einem Schwamm, und die Poren befanden sich in Abständen von 5 bis 10 Nanometer zueinander, was die Dicke der Wände zwischen den Poren auf einige Dutzend Atome begrenzte. Diese nanoporöse Schicht war mit einem dielektrischen Material gefüllt, deren magnetische Eigenschaften bei Raumtemperatur abgestimmt wurden, indem über flüssige Elektrolyte eine Spannung angelegt wurde.

Die Projektforscher gaben an, eine um 35 % niedrigere magnetische Koerzitivkraft und damit den Energieverbrauchswert erreicht zu haben, der zur Neuorientierung der magnetischen Domänen erforderlich ist, was eine Voraussetzung für die Datenspeicherung ist. Dieses Ergebnis wurde dank der Nanoporosität erzielt, durch die der elektromagnetische Effekt die gesamte Schicht – und nicht nur deren Oberfläche – betrifft.

Der Projektkoordinator Professor Jordi Sort fasste den Erfolg des Prototypen wie folgt zusammen: „Die Nanoporen im Inneren der nanoporösen Materialien führen zu einer sehr großen Oberfläche. Dank dieser gewaltigen, auf engstem Raum konzentrierten Oberfläche können wir die Spannung einer Batterie anlegen und die zur Orientierung der magnetischen Domänen und damit zur Datenspeicherung benötigte Energiemenge enorm reduzieren. Für die Energieeffizienz von Computern sowie für Computerberechnungen und die Verarbeitung magnetisch gespeicherter Daten stellt dies einen Paradigmenwechsel dar.“

Ein Paradigmenwechsel in der Spintronik

Die digitale Revolution hängt von steigenden Festplattenkapazitäten und beschleunigter Datenverarbeitung ab – und beides profitiert von den wissenschaftlichen Fortschritten, die in den Bereichen Magnetismus und Spintronik (Spintransport-Elektronik, bei der Elektronenspin und Magnetisierung genutzt werden) erzielt wurden. Allgemeiner ausgedrückt muss für magneto-elektronische Geräte eine höhere Energieeffizienz erreicht werden, um die Informations- und Kommunikationstechnologie weiterentwickeln zu können. Schätzungen zufolge gehen bei Computern beispielsweise 40 % der Energie durch Wärmeabfuhr verloren. So betreiben Unternehmen wie Google ihre Server unter Wasser oder in den nordischen Ländern, um niedrige Temperaturen sicherzustellen.

Das Team von SPIN-PORICS geht davon aus, dass das neue Nanoverbundmaterial hauptsächlich für drei technologische Anwendungen von Nutzen sein wird: elektrisch unterstützte Magnetaufzeichnungen, spannungsgetriebene Umschaltung magnetischen Arbeitsspeichers und Spin-Feldeffekttransistoren. Da einige Berechnungen nahelegen, dass die Energiekosten von Datenverarbeitungssystemen auf ein Fünfhundertstel der derzeitigen Kosten gesenkt werden könnten, wenn der elektrische Strom durch eine Spannung ersetzt würde, könnte dieses neue Paradigma erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen mit sich bringen. „Die Nutzung dieses Materials für den Speicher von Computern und Mobilgeräten wäre mit vielen Vorteilen verbunden, die bei Computern hauptsächlich in direkten Energieeinsparungen und bei Mobilgeräten in erheblich höherer Autonomie bestehen würden“, so Professor Jordi Sort.

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