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Wie verhalten und verbreiten sich magnetische Wellen in Antiferromagneten, Materialien, die als Kandidaten für den Datenspeicher der Zukunft gehandelt werden? Und welche Rolle spielen dabei sogenannte „Domänenwände“? Mit diesen Fragen beschäftigt sich die aktuelle Veröffentlichung eines internationalen Forschungsteams unter Leitung des Konstanzer Physikers Dr. Davide Bossini, die kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters erschienen ist. In dem Artikel beschreiben die Forschenden magnetische Phänomene in Antiferromagneten, die mit extrem kurzen Laserpulsen im Femotsekundenbereich ausgelöst werden können und mit deren Hilfe man den Materialien in Zukunft neue Funktionen für die Anwendung als energieeffiziente und ultraschnelle Datenspeicher verleihen könnte.

Der Bedarf an Speicherkapazitäten wächst schneller als die zugehörige Infrastruktur
Die rasante Zunahme von Big-Data-Technologien sowie der Nutzung von Cloud-basierten Serviceleistungen führt zu einem stetigen Wachstum des weltweiten Bedarfs sowohl an Datenspeichern als auch der immer schnelleren Verarbeitung von Daten. Derzeit verfügbare Technologien werden diesen jedoch nicht auf Dauer aufgefangen können. „Schätzungen gehen davon aus, dass der steigende Bedarf nur noch für ein begrenztes Zeitfenster von etwa 10 Jahren gedeckt werden kann, sofern keine neuen, effizienteren Technologen zur Datenspeicherung und -verarbeitung entwickelt werden“, berichtet Dr. Davide Bossini, Physiker an der Universität Konstanz und Erstautor der aktuellen Studie.

Um eine Daten-Krise abzuwenden, wird es allerdings nicht reichen, lediglich größere Mengen an Speicherkapazitäten zur Verfügung zu stellen. Zukunftsfähige Technologien müssten zusätzlich schneller und energieeffizienter werden als herkömmliche Massenspeicher. Eine Materialklasse, die als vielversprechende Kandidatin und Ressource für die Entwicklung der nächsten Generation von Informationstechnologie gehandelt wird, sind die sogenannten Antiferromagnete.

Der Aufbau von Antiferromagneten
Wir alle kennen Dauermagnete aus Eisen oder anderen sogenannten ferromagnetischen Materialien aus unserem Alltag. In ihnen entsteht durch die gleichgerichtete Anordnung der magnetischen Momente benachbarter Atome – die man sich wie kleine Kompassnadeln verbildlichen kann – eine magnetische Polarisation oder „Magnetisierung“, welche auch in der Umgebung des Magneten wirkt. Bei den sogenannten Antiferromagneten hingegen wechselt die Ausrichtung der magnetischen Momente zwischen benachbarten Atomen, sodass diese sich in Ihrer Wirkung gegenseitig aufheben. Antiferromagnete besitzen daher keine Netto-Magnetisierung – sie erscheinen nach außen hin „unmagnetisch“.

In ihrem Inneren unterteilen sich antiferromagnetische Körper in eine Vielzahl kleinerer Bereiche, sogenannte Domänen, die sich in der jeweiligen Orientierung der entgegengesetzt angeordneten magnetischen Momente unterscheiden. An ihren Grenzflächen sind diese Domänen durch Übergangsbereiche voneinander getrennt, die als „Domänenwände“ bezeichnet werden. „Obwohl diese Übergänge in Antiferromagneten allgegenwärtig sind, war bisher wenig über den Einfluss der Domänenwände auf die magnetischen Eigenschaften von Antiferromagneten bekannt, insbesondere bei der Betrachtung sehr kurzer Zeitskalen“, so Bossini.

Magnetische Phänomene im Femtosekundenbereich
In ihrem aktuellen Fachartikel beschreiben die Forschenden, was passiert, wenn Antiferromagnete – in diesem Fall Nickeloxid-Kristalle – mit ultrakurzen Laserpulsen im Femtosekundenbereich angeregt werden. Die Femtosekundenskala umfasst Dauern, die derart kurz sind, dass selbst Licht in dieser Zeit nur sehr geringe Strecken zurücklegt: In einer Femtosekunde – dem billiardstel Bruchteil einer Sekunde – bewegt sich Licht um gerade einmal 0,3 Mikrometer, was dem Durchmesser eines kleinen Bakteriums entspricht.

Das internationale Forschungsteam konnte zeigen, dass Domänenwände eine aktive Rolle für die dynamischen Eigenschaften des Antiferromagneten spielen. Insbesondere ergaben die Versuche, dass magnetische Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen im Material induziert, verstärkt und sogar über Domänengrenzen hinweg miteinander gekoppelt werden können. Dies ist allerdings ausschließlich in der Anwesenheit von Domänenwänden möglich. „Unsere Beobachtungen zeigen, wie die Allgegenwärtigkeit von Domänenwänden in Antiferromagneten potentiell ausgenutzt werden könnte, um das Material mit neuen Funktionen auf der ultraschnellen Zeitskala auszustatten“, erklärt Bossini die Bedeutung seiner Studie.

Wichtige Schritte in Richtung effizienterer Datenspeicher
Die Kopplung verschiedener magnetischer Wellen über die Domänenwände zeigt also eine Möglichkeit auf, die zeitliche und räumliche Ausbreitung magnetischer Wellen sowie den Energietransfer zwischen einzelnen Wellen im Material aktiv zu kontrollieren – und das im Femtosekundenbereich. Beides sind Voraussetzungen für die Verwendung der Materialien für die ultraschnelle Verarbeitung und Speicherung von Daten.

Im Vergleich zu herkömmlichen Speichertechnologien wären derartige Antiferromagnet-basierte Technologien um einige Größenordnungen schneller, energieeffizienter, und sie könnten Daten in höherer Dichte speichern und verarbeiten. Durch das Fehlen einer Netto-Magnetisierung wären die Daten außerdem besser durch Störungen und Manipulation von außen geschützt. „Zukünftige Technologien, die auf Antiferromagneten basieren, würden also alle Anforderungen erfüllen, die an die nächste Generation von Datenspeichern gestellt werden. Sie hätten so das Potential, den steigenden Bedarf an Speicherplatz und Datenverarbeitungskapazitäten zu decken“, fasst Bossini zusammen.

Faktenübersicht:

• Originalpublikation: D. Bossini, M. Pancaldi, L. Soumah, M. Basini, F. Mertens, M. Cinchetti, T. Satoh, O. Gomonay, S. Bonetti (2021) Ultrafast Amplification and Nonlinear Magnetoelastic Coupling of Coherent Magnon Modes in an Antiferromagnet. Physical Review Letters. DOI: doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.077202
• Untersuchung der Rolle von Domänenwänden für die dynamischen Eigenschaften von Antiferromagneten im Femtosekundenbereich
• Bei Anwesenheit von Domänenwänden können im Material (Nickeloxid) mithilfe von Laserpulsen magnetische Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen induziert, verstärkt und über Domänengrenzen hinweg miteinander gekoppelt werden
• Die aktive Kontrolle der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung magnetischer Wellen sowie des Energietransfers zwischen einzelnen Wellen in Antiferromagneten sind vielversprechende Schritte in Richtung Nutzung der Materialien für zukunftsfähige Datenspeicher und -technologien
• Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), European Cooperation in Science and Technology (COST), Knut and Alice Wallenberg Foundation, Swedish Research Council (VR), European Research Council (ERC) und National Science Foundation (NSF).