Prof. Dr. Dr. h.c. Roland Wiesendanger & Dipl.-Chem. Heiko Fuchs: Nanotechnologie in Hamburg – neue Impulse für die Datenspeicherung der Zukunft

Die Hamburger Universität wurde erst vor knapp 100 Jahren gegründet, erlebte aber schon in den 20er Jahren eine Blüte der Forschung. So forschte und lehrte etwa der spätere Physik-Nobelpreisträger Otto Stern im ehemaligen Physikalischen Staatsinstitut und machte seine Forschungseinrichtung in der Jungiusstraße trotz schwieriger wirtschaftlicher Rahmenbedingungen der damaligen Zeit zu einem weltweit führenden Zentrum der Atom-, Molekül- und Kernphysik.

In den 20er Jahren des vergangenen Jahrhunderts gaben sich im Physikalischen Institut der Universität Hamburg die besten Wis­sen­­schaftler die Klinke in die Hand. Entwicklungen wie die Kern­spintomographie und Atom­­uhren basieren auf den Forsch­ungsarbeiten und Erkennt­nissen, die damals in Hamburg ge­macht wurden. Leider währte diese Ära nur kurz: gemeinsam mit zahlreichen anderen jüdischen Wissenschaftlern wurde Otto Stern nach der Machtergreifung der Nationalsozialisten 1933 aus Deutschland vertrieben und kehrte nie wieder zurück.

Seit Beginn der neunziger Jahre hat sich der Wissen­­schafts­­standort Hamburg gerade auf dem Gebiet der Nanotech­­nologie zu einem international anerkannten und bedeutsamen Zentrum entwickelt, welches von den zahl­­reichen weltweit renommierten Forschergruppen aus Phy­­sik und Chemie ge­­tragen wird, die sich mit Nanowissen­schaften und Nanotech­­nologie von der Grundlagenforsch­­ung bis hin zur Produktent­wicklung beschäftigen.

Beispielhaft für diesen rasanten Aufstieg sind die Phy­­sika­lischen Institute der Universität Hamburg. Dort wird in der Jung­­iusstraße an Otto Sterns alter Wirkungsstätte an völlig neuen Konzepten der magnetischen Daten­speich­­erung geforscht.

Ausgangspunkt für die Suche nach neuartigen Speicher­­medien ist unser Hunger nach immer mehr digitalen Daten, die innerhalb weniger Jahre explosionsartig an Bedeutung ge­­wonnen haben. Egal ob es sich um Dokumente, Firmen-­Prä­­sentationen, Lexika, Navigationsdaten, Spiele, elektronische Bücher, Fotos, Videos oder um Musik handelt – alles muss heute digital abrufbar sein. Der Verkauf und die Vermietung von digitalen Daten über das Internet ist inzwischen ein wichtiger wirtschaftlicher Faktor ge­­worden und verdrängt bereits die herkömmlichen Datenträger, wie die Compact-Disk, DVD, BlueRay-Disk und selbst das ge­druckte Buch. Diese riesigen Datenmengen müssen aber irgend­­­­wo sicher abgelegt werden. Herkömmliche Daten­speicher haben sich in den letzten Jahrzehnten zwar rasant entwickelt, aber ge­­rade bei mobilen Geräten, wie Smartphones, Tablet-PCs und Note­­­­books, ist der verfügbare Speicherplatz meistens viel zu klein.

Immer mehr Informationen auf immer kleinerem Raum zu schrei­­ben ist nur möglich, wenn die Schreib-Lese-Köpfe und die kleinsten magnetischen Bereiche auf Computer-Fest­­platten, die so genannten Bits, immer kleiner werden (siehe Abb. 1). Aber genau hier gelangen die herkömmlichen ma­­gnetischen Speichertechnologien bald an ihre physikalischen Grenzen.

Abb. 1: Das Funktionsprinzip von aktuellen Computer-Festplatten: Auf den Scheiben befinden sich kleine magnetische Bereiche, die in Nord- oder Süd-Ausrichtung magnetisiert werden können, die sogenannten magnetischen Bits. Zum „Lesen“ fährt der Schreib-Lese-Kopf alle magnetischen Bereiche auf den Festplatten-Scheiben an und fragt deren magnetische Ausrichtung ab. Ein magnetisches Bit kann ähnlich dem Nord- und Südpol eines Stabmagneten zwei Zustände annehmen, die sich als „0“ und „1“ darstellen lassen. Um Daten zu „Schreiben“ benutzt der Schreib-Lese-Kopf ein magnetisches Feld und zwingt den Bits eine von zwei möglichen magnetischen Ausrichtungen auf.

Abb. 1: Das Funktionsprinzip von aktuellen Computer-Festplatten: Auf den Scheiben befinden sich kleine magnetische Bereiche, die in Nord- oder Süd-Ausrichtung magnetisiert werden können, die sogenannten magnetischen Bits. Zum „Lesen“ fährt der Schreib-Lese-Kopf alle magnetischen Bereiche auf den Festplatten-Scheiben an und fragt deren magnetische Ausrichtung ab. Ein magnetisches Bit kann ähnlich dem Nord- und Südpol eines Stabmagneten zwei Zustände annehmen, die sich als „0“ und „1“ darstellen lassen. Um Daten zu „Schreiben“ benutzt der Schreib-Lese-Kopf ein magnetisches Feld und zwingt den Bits eine von zwei möglichen magnetischen Ausrichtungen auf.

Es müssen also neue Konzepte für die Verarbeitung und Spei­­cher­­ung von digitalen Daten her. Bislang werden die magnetischen Momente, die Spins, entweder parallel oder antiparallel zueinander angeordnet, also kollinear. Doch es sind auch nicht­­ko­­llineare Spin-Strukturen denkbar, bei denen benachbarte Spins weit mehr Möglichkeiten haben sich anzuordnen. Diese neuartigen Spinstrukturen sind erst seit Kurzem Gegen­­stand in­­ten­­siver Forschung und erschließen zahlreiche neue An­­wend­ungen. Der Durchbruch bei der Untersuchung solch komplexer Spinstrukturen kam mit dem Einsatz atomar auflö­­sender ma­­gne­­tischer Mikroskopietechniken, wie sie an der Universität Hamburg bereits seit über zwanzig Jahren entwickelt wurden und bis heute weltweit führend be­­trieben werden. Hierzu zählen die spinauflösende Rastertu­nnel­mikro­s­­kopie [1] sowie die Magnetische Austauschkraft-Mikroskopie [2]. Eine spektakuläre Entdeckung, welche jüngst durch den Einsatz der spi­­n­auflösenden Rastertunnel­­mikroskopie in Ham­burg gelang, war die Entdeckung so­­genannter Skyrmionen in ultradünnen ma­­gne­­tischen Schich­­ten. Was hat es damit auf sich?

Vor ungefähr 50 Jahren fand der theoretische Physiker Tony Skyrme in quantenmechanischen Feldtheorien stabile und loka­­lisierte Zustände, die er als elementare Teilchen iden­­tifi­zierte. Diese nach ihrem Entdecker benannten „Skyrmi­onen“ kann man sich als Knoten eines Vektorfeldes vorstellen. In einem magnetischen System würde dies einer komplexen Magneti­­sier­­ungsverteilung entsprechen wie sie in Abb. 2 dargestellt ist.

Abb. 2: Die Abbildung zeigt ein einzelnes magnetisches Skyrmion, welches man sich als einen Knoten vorstellen kann, bei dem sich die magnetischen Momente mit einem einheitlichen Drehsinn innerhalb einer Ebene um 360° drehen. Darüber sieht man die magnetische Spitze eines spinauflösenden Rastertunnelmikroskops, das mit Hilfe eines Elektronentunnelstroms das Skyrmion auf atomarer Skala abbilden kann.

Abb. 2: Die Abbildung zeigt ein einzelnes magnetisches Skyrmion, welches man sich als einen Knoten vorstellen kann, bei dem sich die magnetischen Momente mit einem einheitlichen Drehsinn innerhalb einer Ebene um 360° drehen. Darüber sieht man die magnetische Spitze eines spinauflösenden Rastertunnelmikroskops, das mit Hilfe eines Elektronentunnelstroms das Skyrmion auf atomarer Skala abbilden kann.

Aber wie kann man mit Hilfe von magnetischen Skyrmionen digitale Daten speichern? Magnetische Skyrmionen gelten aufgrund ihrer Knotenstruktur als besonders robust und stabil gegenüber äußeren Einflüssen. Man kann ihnen eine Art Ladung – die sogenannte topologische Ladung – zuordnen, womit es möglich ist, mit einem Skyrmion den Bit-Zu­stand „1“ (es gibt ein Skyrmion) und „0“ (es gibt kein Skyrmion) dar­­zustellen. Unsere Hamburger Forschergruppe konnte vor einigen Jahren erstmals zeigen, dass solche Skyrmionen in ultradünnen magnetischen Schichten aus einfachen und häufig vorkommenden Metallen wie Eisen beobachtet werden [3] und dabei extrem klein sein können: nur ein Nanometer im Durchmesser – dies ist Weltrekord!

Im Jahr 2013 gelang den Physikern der Universität Hamburg erstmalig die gezielte Erzeugung und Löschung einzelner magnetischer Skyrmionen [4]. Dazu verwendeten die Forscher einen nur zwei Atomlagen dicken Film aus Palla­dium und Eisen auf einer Iridium-Oberfläche. Bringt man diese Probe in ein magnetisches Feld, kann man mit Hilfe des spinauflösenden Rastertunnelmikroskops einzelne und räumlich lokalisierte Skyrmionen beobachten. Jedes Skyr­­mion setzt sich dabei aus nur etwa einhundert Atomen zu­­sammen. Diese Skyrmionen können mit einem kleinen elek­­trischen Strom aus der magnetischen Mikroskop-Spitze ge­­schrieben und anschließend (nach Umkehr der Strom­­richtung) wieder gelöscht werden (siehe Abb. 3).

Abb. 3: Das Bild zeigt die Daten einer spinaufgelösten Rastertunnelmikroskopie-Messung, hinterlegt mit der Magnetisierungsverteilung der Probe, die durch farbige Kegel dargestellt ist. Mit der magnetischen Spitze können die Skyrmionen (die vier grünen Bereiche) präzise eingeschrieben,  ausgelesen und auch wieder gelöscht werden.

Abb. 3: Das Bild zeigt die Daten einer spinaufgelösten Rastertunnelmikroskopie-Messung, hinterlegt mit der Magnetisierungsverteilung der Probe, die durch farbige Kegel dargestellt ist. Mit der magnetischen Spitze können die Skyrmionen (die vier grünen Bereiche) präzise eingeschrieben, ausgelesen und auch wieder gelöscht werden.

Nun hat ein Datenspeicher mit der mechanisch beweglichen Spitze eines Rastertunnelmikroskops die gleichen Probleme wie aktuelle Festplatten: Die mechanische Ansteuerung der Skyrmionen-Bits ist langsam, die Mechanik unterliegt den normalen Verschleißprozessen und der Speicher muss im Betrieb schwingungsfrei gelagert werden, da es sonst zu Defekten und Datenverlust kommen könnte. Damit wäre dieser neuartige Skyrmionen-Speicher zumindest für mobile Systeme ungeeignet. Aber auch für dieses Problem ist bereits eine Lösung in Sicht: anstatt den Schreib-Lese-Kopf mechanisch über die Oberfläche zu fahren [5], können die Skyrmionen mit Hilfe eines elektrischen Stroms unter diesem vorbei be­­wegt werden (siehe Abb. 4). Dazu kann man einen dünnen Streifen aus Eisen verwenden, in dem die Skyrmionen erzeugt werden können. Über einer Stelle des Streifens wird ein Schreib-­­Lese-Kopf angebracht, der die darunter hindurch bewegten Skyrmionen auslesen bzw. löschen und schreiben kann. Trotz der Bewegung bleiben die winzigen Knoten stabil und liefern somit die Grundlage für einen robusten Datenträger ohne bewegliche Bauteile, der zur sicheren Speicherung von riesigen Informationsmengen genutzt werden kann und gleich­­zeitig ähnlich unverwüstlich wie ein herkömmlicher USB-Stick ist.

Abb. 4: Prinzip eines Skyrmionenspeichers mit ortsfestem Schreib-Lese-Kopf: die Skyrmionen werden durch einen elektrischen Strom angetrieben und nacheinander unter dem Schreib-Lese-Kopf hindurchbewegt. Damit können die magnetischen Bits ohne bewegte mechanische Teile eingeschrieben, ausgelesen und auch wieder gelöscht werden.

Abb. 4: Prinzip eines Skyrmionenspeichers mit ortsfestem Schreib-Lese-Kopf: die Skyrmionen werden durch einen elektrischen Strom angetrieben und nacheinander unter dem Schreib-Lese-Kopf hindurchbewegt. Damit können die magnetischen Bits ohne bewegte mechanische Teile eingeschrieben, ausgelesen und auch wieder gelöscht werden.

Mit Hilfe der magnetischen Knoten werden sich zukünftig die Nullen und Einsen auf magnetischen Datenträgern noch einmal um das Tausendfache dichter packen lassen als mit her­­­kömmlicher Technologie. Ein weiterer wichtiger Punkt ist der deutlich geringere Energieverbrauch, den solche Skyrmionen-Speicher im Vergleich zu aktuellen Speichersystemen haben. Die weitere Erforschung und Entwicklung von Skyrmionen-Spei­­cher stellt somit einen wichtigen Beitrag zur grünen IT-Tech­nologie der Zukunft dar. Dies hat auch die Europäische Union erkannt: seit September 2015 fördert sie das Skyrmionen-Projekt der Universität Hamburg – in Kooperation mit der Pariser Forsch­­ungsgruppe um Physik-Nobelpreisträger Albert Fert und zahlreichen anderen Partnern aus Wissenschaft und Industrie – im Rahmen des „Future Emerging Technologies (FET)“-Pro­­gram­­ms in Millionenhöhe. In den kommenden drei Jahren sollen daraus erste Prototypen für eine neue magnetische Datenspeicher-Generation hervorgehen.

[1]  R. Wiesendanger, Rev. Mod. Phys. 81, 1495 (2009)., [2] U. Kaiser, A. Schwarz, R. Wiesendanger, Nature 446, 522 (2007)., [3]  S. Heinze et al., Nature Physics 7, 713 (2011)., [4] N. Romming et al., Science 341, 636 (2013)., [5] Ch. Hanneken et al., Nature Nanotechnology 10,1039 (2015).

HWP15_Foto_WiesendangerProf. Dr. Dr. h.c. Roland Wiesendanger
Der 1961 geborene Autor studierte an der Universität Basel und übernahm 1992 den Lehr­stuhl für Experimentelle Festkörperphysik an der Universität Hamburg. Prof. Wiesendanger leitet seit 2006 das „Interdisziplinäre Nanowissenschafts-Centrum Hamburg“, ist seit 2006 Sprecher des DFG-Sonderforschungsbereichs 668 „Magnetismus vom Einzelatom zur Nano­­struktur“ und seit 2009 Leiter zweier Exzellenzprojekte des Europäischen Forschungsrats zu den Themen „Atomarer Magnetismus“ und „Hochtemperatursupraleitung“.