Forskare vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har fått ett stort genombrott i utvecklingen av metoder för informationsbehandling i nanomagneter. Med ett nytt trick, de har kunnat inducera synkron rörelse av domänväggarna i en ferromagnetisk nanotråd. Detta involverade applicering av ett pulserande magnetfält som var vinkelrät mot domänväggarnas plan.

"Detta är en radikalt ny lösning, " förklarade professor Mathias Kläui vid Institutet för fysik vid Johannes Gutenberg University Mainz. "Det gör det möjligt för oss att flytta domänväggar synkront över ett relativt stort avstånd utan att de återgår till sin ursprungliga position." Detta är viktigt för permanent datalagring, eftersom data annars skulle gå förlorade om domänväggar inte kollektivt förflyttades på ett kontrollerat sätt. Forskningen utfördes i samarbete med arbetsgrupperna för professor Stefan Eisebitt vid TU Berlin och professor Gisela Schütz vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart. Resultaten publicerades i tidskriften Naturkommunikation i slutet av mars.

Magnetiska nanotrådar har små områden med enhetlig magnetisering som kallas domäner, som kan användas som lagringsenheter (bitar). Webbplatsen där domäner med olika inriktning möter varandra kallas en domänvägg. Information kan lagras i domänen, och läsas och bearbetas med hjälp av domänväggarnas rörelse. Metoden har den stora fördelen att informationen – som vid magnetisk datalagring i allmänhet – inte lätt går att förlora. Detta står i kontrast till halvledarbaserade lagringssystem, som RAM-minne i datorer, som förlorar all lagrad information utan ström. Dessutom, inga ömtåliga rörliga delar krävs som läs-/skrivhuvudet på en hårddisk.

Det har tidigare inte visat sig möjligt att inducera den erforderliga kontrollerade och synkroniserade rörelsen av flera domänväggar med hjälp av magnetfält. Det mest uppenbara tillvägagångssättet skulle vara att applicera ett magnetfält i den riktning som magnetiseringen går i de små nanotrådarna. Dock, detta har visat sig vara ineffektivt, eftersom det finns förlust av data. Mathias Kläui och hans grupp tog en radikalt ny väg. De bestämde sig för att applicera ett pulsat magnetfält vinkelrätt mot de magnetiserade domänväggarna i planet. Som Mainz-forskarna fann i sitt modellsystem, det är möjligt att anpassa de asymmetriska fältpulserna som ger de framåt- och bakåtorienterade krafter som verkar på domänväggar. Data kan således flyttas inom lagringsmediet på ett kontrollerat sätt.

De deltagande fysikerna vid Mainz University testade först sitt koncept i samband med mikromagnetiska simuleringar och testade det sedan experimentellt. För det här syftet, de spelade in bilder av det magnetiska arrangemanget i de små nanotrådarna med hjälp av elektronlagringsringen BESSY II från Helmholtz Center Berlin for Materials and Energy (HZB). Som förväntat av simuleringen, de observerade förskjutning av domänväggarna i en riktning som överensstämde med modellen. Forskarna beräknade också den energi som skulle behövas för den experimentellt observerade domänväggens rörelse och kom fram till att energiförbrukningen för det föreslagna systemet skulle vara ganska kostnadseffektiv jämfört med de bästa komponenterna som finns tillgängliga för närvarande.

"Resultaten är mycket lovande. Vi antar att det nödvändiga paradigmskiftet kommer att underlättas av detta nya tillvägagångssätt och det kommer att visa sig möjligt att utveckla en metod för effektiv och kontrollerad synkron rörelse av domänväggarna i nanotrådar, " sa Kläui. Detta skulle bana väg för utvecklingen av icke-flyktiga spintroniska komponenter av nästa generation, som skulle kunna användas i ett brett spektrum av applikationer för datalagring samt logik- och sensormoduler.