Ein neues magnetisches Material, das von RIKEN-Physikern entwickelt wurde, könnte die Speicherkapazität von Computern steigern, indem es eine höhere Speicherdichte und schnellere Speicherschreibgeschwindigkeiten ermöglicht. Ihre Forschung war veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
Speichergeräte wie Festplatten speichern Daten, indem sie in einem magnetischen Material unterschiedliche Magnetisierungsmuster erzeugen. Sie verwenden magnetische Materialien, sogenannte Ferromagnete – Materialien wie Eisen und Kobalt, bei denen sich die Magnetfelder einzelner Atome aneinander ausrichten, wenn ein Magnetfeld angelegt wird.
Allerdings sind Ferromagnete nicht ideal für die Datenspeicherung. „Das Problem bei Ferromagneten besteht darin, dass benachbarte Bereiche interferieren und eine spontane Magnetisierung verursachen können, die die Daten verfälscht. Daher kann es keine hohe Speicherdichte geben“, erklärt Meng Wang vom RIKEN Center for Emergent Matter Science. „Außerdem ist der Wechsel des Magnetisierungsmusters langsam.“
Antiferromagnetische Materialien, bei denen sich die Magnetfelder benachbarter Atome tendenziell in entgegengesetzte Richtungen ausrichten, sind vielversprechend für die Bewältigung dieser Herausforderungen. Da in Antiferromagneten jedoch keine Magnetisierung beobachtet werden kann, bräuchten Physiker eine andere Technik zum Kodieren und Auslesen der Daten.
Seit 20 Jahren vermuten Physiker, dass bestimmte antiferromagnetische Materialien ein anderes Verhalten unterstützen könnten, das als „anomaler Hall-Effekt“ bezeichnet wird. Damit könnten Elektronen in antiferromagnetischen Materialien manipuliert werden, um Daten zu speichern und auszulesen.
Der konventionelle Hall-Effekt wurde erstmals vor mehr als einem Jahrhundert vom amerikanischen Physiker Edwin Hall in nichtmagnetischen Materialien beobachtet. Wenn ein elektrisches Feld an ein leitendes Material angelegt wird, bewegen sich die Elektronen geradlinig entlang des Materials, parallel zum elektrischen Feld. Doch Hall entdeckte, dass sich die Bahn der Elektronen verbiegt, wenn zusätzlich ein äußeres Magnetfeld angelegt wird.
Später entdeckte Hall, dass diese Biegung auch in einigen magnetischen Materialien auftreten kann, selbst wenn kein äußeres Magnetfeld angelegt wird – ein Phänomen, das als anomaler Hall-Effekt bezeichnet wurde.
Jetzt haben Wang und Kollegen den anomalen Hall-Effekt in einem antiferromagnetischen Metall, das Ruthenium und Sauerstoff enthält, ohne Magnetfeld nachgewiesen. Das Team musste dem Kristall eine kleine Menge Chrom hinzufügen, was seine symmetrische Struktur leicht veränderte und den Effekt ermöglichte.
Der anomale Hall-Effekt war zuvor bei komplexeren Arten von Antiferromagneten beobachtet worden. Dies ist jedoch das erste Mal, dass der Effekt bei einem antiferromagnetischen Metall beobachtet wurde, das eine einfache kolineare Struktur aufweist, was es für praktische Anwendungen attraktiv macht.
„Dieses Material lässt sich sehr einfach in dünnen Schichten herstellen“, sagt Wang. „Wir hoffen, dass unsere Arbeit andere dazu inspiriert, nach anderen Materialien zu suchen, die günstig und einfach herzustellen sind.“
Mehr Informationen:
Meng Wang et al.: Emergenter anomaler Nullfeld-Hall-Effekt in einem rekonstruierten antiferromagnetischen Rutilmetall, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43962-0