Forschende aus der Quantendetektion entwickeln eine Methode, um ultradünne magnetische Schichten präzise zu analysieren

Ob Festplatten, Magnetbänder oder Speichermedien in Rechenzentren – in der elektrischen Datenverarbeitung werden Daten weiterhin auf magnetischen Materialien gespeichert und elektrisch ausgelesen. Doch steigende Anforderungen an die Datenverarbeitung erfordern schnellere, energieeffizientere und kompaktere Speichertechnologien. Forschende des Leibniz-IPHT und der Universität Jena haben gemeinsam mit der TU Chemnitz und der TU Bergakademie Freiberg eine innovative Methode entwickelt, die die Entwicklung leistungsfähigerer Speichermedien vor allem für die photonische Datenverarbeitung vorantreiben könnte.

Die Zukunft der Datenspeicherung könnte in nur wenige Nanometer dünnen magnetischen Materialien liegen. Diese bestehen oft aus speziellen Metalllegierungen wie Cobalt-Eisen (CoFe) oder Cobalt-Eisen-Bor (CoFeB), die besonders stabile magnetische Eigenschaften besitzen. Sie werden bereits in modernen Speichertechnologien eingesetzt und elektrisch ausgelesen, sind jedoch schwer optisch auszulesen und zu analysieren.

„Um Speicher weiterzuentwickeln, müssen wir genau verstehen, wie sich diese Materialien beim optischen Auslesen verhalten“, erklärt Prof. Dr. Heidemarie Krüger, Leiterin der Forschungsabteilung Quantendetektion am Leibniz-IPHT und Professorin an der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Die Herausforderung: Bestehende Messmethoden funktionieren nur, wenn die magnetischen Schichten vollständig ausgerichtet sind – ein Zustand, der in der Praxis selten vorkommt. Das Forschungsteam um Krüger hat nun eine Lösung gefunden.

Licht als ­Messwerkzeug

Die Forschenden setzen auf eine optische Technik, um die Wechselwirkung von Licht mit den magnetischen Schichten zu untersuchen. Zum Einsatz kommt die sogenannte vektor-magnetooptische verallgemeinerte Ellipsometrie (VMOGE) – eine Methode, die Lichtreflexion nutzt, um magnetooptische Eigenschaften magnetischer Schichten präzise zu bestimmen.

„Das Licht verrät uns, wie sich die Magnetisierung in der Schicht verhält – ohne dass wir das Material vollständig magnetisch ausrichten müssen“, erklärt Krüger. „Besonders wichtig ist, dass wir den magneto-optischen Kopplungskoeffizienten bestimmen können. Dieser liefert uns entscheidende Informationen über die magnetooptischen Eigenschaften des Materials.“

Mit dieser Methode lassen sich erstmals die magneto-optischen Eigenschaften ungesättigter ferromagnetischer Materialien präzise bestimmen. Dies könnte besonders die Entwicklung von Speichern mit Riesenmagnetowiderstand (GMR, Giant Magnetoresistance) und Tunnelmagnetowiderstand (TMR, Tunnel Magnetoresistance) für die photonische Datenverarbeitung voranbringen. Die optische Analyse ermöglicht eine gezielte Optimierung der Speicher hinsichtlich Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Kompaktheit.

Potenzial für nachhaltigere Speicher

„Unsere Methode hilft, Materialien so zu optimieren, dass sie weniger Energie verbrauchen und schneller arbeiten“, sagt Krüger. Eine präzisere Analyse der magnetischen Schichten könnte nicht nur bestehende Speichertechnologien verbessern, sondern auch neue Architekturen ermöglichen – etwa für Bauteile, die Magnetismus und Licht kombinieren, um noch effizientere Speichermedien zu schaffen.

Das Forschungsteam arbeitet nun daran, die Methode weiterzuentwickeln und auf unterschiedliche Materialsysteme anzupassen, berichtet Heidemarie Krüger. „Wir testen verschiedene Kombinationen, um herauszufinden, welche sich am besten für zukünftige Anwendungen in der photonischen Datenverarbeitung eignen.“

Original-Publikation: https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad415c