DE102009008212A1 - Data processing device has material with homochiral magnetic component, where material is arranged to form crystalline structure, and crystalline structure either lacks inversion symmetry, or has interface when inversion symmetry is present - Google Patents
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Abstract
Description
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
Die Erfindung betrifft allgemein Vorrichtungen und Verfahren, welche die magnetischen Eigenschaften von Materialien nutzen.The The invention relates generally to apparatus and methods which use the magnetic properties of materials.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Datenverarbeitung basiert generell auf einer zumindest kurzzeitigen Speicherung von Information in Form von Zuständen. Hierzu werden beispielsweise logische elektronische Schaltungen, magnetische Speicher (z. B. Festplatten in Computern), dauerhafte und flüchtige Halbleiterspeicher (z. B. DRAMs, ROMs und EPROMs, Flash-Speicher etc.), magnetische Schalter sowie logische elektronische Schaltelemente der Halbleitertechnologie verwendet. Auch elektronische Halbleiterschaltungen sind als Informationsspeicher aufzufassen, in denen zumindest kurzfristig Informationen in Form von Zuständen gespeichert sind.data processing is generally based on at least short-term storage of Information in the form of states. For this purpose, for example logic electronic circuits, magnetic memories (eg Hard disks in computers), permanent and volatile semiconductor memories (eg DRAMs, ROMs and EPROMs, flash memory etc.), magnetic Switches and logic electronic switching elements of semiconductor technology used. Also, electronic semiconductor circuits are as information storage in which at least in the short term information in the form stored by states.
Die magnetischen Eigenschaften von Festkörpern werden im Wesentlichen auf drei verschiedene Arten charakterisiert. Zum einen im Sinn eines lokalen Magnetfelds (auch Austauschfeld) im Inneren der Festkörper auf einer kleinen Längenskala. Weiter die topologischen Eigenschaften der magnetischen Struktur. Hierzu gehören die Chiralität (Händigkeit) und die Windungszahl. Schließlich das magnetische Streufeld an der Oberfläche des magnetischen Materials.The Magnetic properties of solids are essentially characterized in three different ways. For one in the sense of one local magnetic field (also exchange field) inside the solid state on a small length scale. Next the topological Properties of the magnetic structure. These include the chirality (handedness) and the number of turns. Finally, the magnetic stray field at the surface of the magnetic material.
Bezüglich einer technischen Nutzung magnetischer Materialien zur Informationsspeicherung bzw. Informationsverarbeitung stehen drei Aspekte im Vordergrund. Dies sind die Lebensdauer des magnetischen Zustands, dessen räumliche Ausdehnung, Position, Lage und Orientierung sowie die Möglichkeit diese Eigenschaften gezielt zu verändern.In terms of a technical use of magnetic materials for information storage or Information processing focuses on three aspects. This are the life of the magnetic state, its spatial Extension, position, location and orientation as well as the possibility to change these properties in a targeted way.
Häufig werden für Anwendungen, bei denen ein magnetisches Material genutzt wird, um Informationen zu speichern, ferromagnetische Materialien verwendet. Dabei wird unter anderem ausgenutzt, dass es in ferromagnetischen Materialien zur Ausbildung magnetischer Domänen kommt, die durch sogenannte Domänenwände, also Zwischenbereiche, in denen sich die Magnetisierungsrichtung ändert. In bekannten Anwendungen zur Informationsspeicherung wird ausgenutzt, dass die Größe und die Richtung sowie der Ort einer ferromagnetischen Domäne geändert werden kann. Dies ermöglicht das Schreiben (Speichern) und Lesen von Informationen sowie das logische Verknüpfen derartig gespeicherter Informationen.Often Be used for applications where a magnetic material is used to store information, ferromagnetic materials used. It is exploited, among other things, that it is in ferromagnetic Materials for forming magnetic domains come, through so-called domain walls, ie intermediate areas, in which the magnetization direction changes. In known Information storage applications is exploited that the Size and direction as well as the location of a ferromagnetic Domain can be changed. this makes possible the writing (saving) and reading of information as well as the Logically linking such stored information.
Es wird allgemein angestrebt, die Packungsdichte derartiger Informationsspeicher zu erhöhen, wodurch einerseits die Verarbeitungsgeschwindigkeit und andererseits die räumliche Ausdehnung der Speicher und damit die Speicherkapazität pro Volumen verbessert werden soll. Bei ferromagnetischen Materialien muss zur Erhöhung der Packungsdichte der Informationen die räumliche Ausdehnung reduziert werden. Eine derartige Reduktion wird grundsätzlich durch die Ausdehnung der Domänenwände beschränkt. Gegenwärtige Lösungsversuche konzentrieren sich darauf, die Breite der Domänenwände, also die Übergänge zwischen den Domänen, zu reduzieren.It is generally sought, the packing density of such information storage increase, on the one hand the processing speed and on the other hand, the spatial extent of the memory and so that the storage capacity per volume can be improved should. For ferromagnetic materials must increase the packing density of the information the spatial extent be reduced. Such a reduction basically becomes limited by the extension of the domain walls. Current solutions are concentrated on it, the width of the domain walls, thus the transitions between the domains, reduce.
Die am weitesten verbreiteten Speichertypen sind die Festplatte und die Halbleiterspeicher. Bei der Festplatte werden mit einem Schreib-/Lesekopf Daten auf eine rotierende Scheibe mit magnetisierbarer Schicht geschrieben und von dieser gelesen. Die Kapazität von Festplatten ist begrenzt. Außerdem sind diese aufgrund der Bewegung Verschleiß ausgesetzt. Zu den Halbleiterspeichern gehören flüchtige Speicher, wie das DRAM und nichtflüchtige Speicher wie, das EEPROM, bzw. die Flash Speicher. Im DRAM wird Information in Form von Ladung auf einer Kapazität gespeichert. Im EEPROM wird Ladung auf einem isolierten Steuergate (Floating-Gate) eines Transistors aufgebracht, wodurch das Verhalten des Transistors verändert wird. Die immer höhere Packungsdichte von Halbleiterspeichern ist jedoch allgemein mit hohen Kosten verbunden und stößt an immer neue technologische Grenzen.The The most widely used types of memory are the hard disk and the semiconductor memory. At the hard drive are using a read / write head Data written on a rotating disk with magnetizable layer and read from this. The capacity of hard drives is limited. In addition, they are exposed to wear due to the movement. Semiconductor memories include volatile memory, like the DRAM and non-volatile memory like, the EEPROM, or the flash memory. In the DRAM information is in the form of charge stored on a capacity. In the EEPROM is charge on an isolated control gate (floating gate) of a transistor applied, which changes the behavior of the transistor becomes. The ever higher packing density of semiconductor memories However, it is generally associated with high costs and pushes to ever new technological limits.
Einige der Probleme mit den vorgenannten Speichertypen, könnten durch den Einsatz anderer, neuerer Technologien, wie MRAM, FeRAM oder Racetrack-Memories überwunden werden. Leider weisen diese Speicher wiederum andere Probleme auf.Some the problems with the aforementioned types of storage could through the use of other, newer technologies, such as MRAM, FeRAM or racetrack memories are overcome. Unfortunately, show these memories in turn pose other problems.
Als Ferroelectric Random Access Memory (FRAM oder FeRAM) bezeichnet man einen nichtflüchtigen elektronischen Speichertyp auf der Basis von Kristallen mit ferroelektrischen Eigenschaften. Ferroelektrika weisen dem Ferromagnetismus analoge elektrische Eigenschaften auf. Der Aufbau entspricht dem einer DRAM-Zelle, nur wird anstelle eines konventionellen Kondensators ein Kondensator mit ferroelektrischem Dielektrikum eingesetzt. Ferroelektrische Materialien können analog zu ferromagnetischen Materialien eine permanente elektrische Polarisation auch ohne externes elektrisches Feld besitzen. Durch ein externes Feld kann diese Polarisation in eine andere Richtung „umgeschaltet” werden, worauf der Speicher-Mechanismus der FRAMs beruht.When Ferroelectric Random Access Memory (FRAM or FeRAM) to a non-volatile electronic storage type the basis of crystals with ferroelectric properties. ferroelectrics have the ferromagnetism analog electrical properties. The structure corresponds to that of a DRAM cell, only instead of a conventional capacitor is a ferroelectric capacitor Dielectric used. Ferroelectric materials can analogous to ferromagnetic materials a permanent electrical polarization even without an external electric field. By an external Field, this polarization can be "switched" in a different direction, what the storage mechanism of the FRAMs is based on.
Daneben gibt es eine Reihe magnetischer Festkörperspeicher, die zum Teil in Halbleitertechnologien integriert werden. Dazu gehört beispielsweise das MRAM (Magnetoresistives RAM). Bei diesem wird der Umstand ausgenutzt, dass die elektrische Leitfähigkeit ferromagnetischer Materialien durch Änderung der Magnetisierungsrichtung beeinflusst werden kann. Beim Schreibvorgang wird eine dünne Schicht durch ein Induktionsfeld in die eine oder andere Richtung magnetisiert. Liegen die Speicherzellen zu dicht nebeneinander, können auch benachbarte Zellen beeinflusst werden. Daher ist die Packungsdichte limitiert.In addition, there are a number of magnetic solid state memory, which are partially integrated in semiconductor technologies. This includes, for example the MRAM (magnetoresistive RAM). In this case, the fact is exploited that the electrical conductivity of ferromagnetic materials can be influenced by changing the magnetization direction. During the writing process, a thin layer is magnetized in one or the other direction by an induction field. If the memory cells are too close to each other, neighboring cells can also be influenced. Therefore, the packing density is limited.
Bei
den sogenannten Racetrack-Memories, die u. a. in
Alle bekannten magnetischen Festkörperspeichertypen erreichen keine ausreichend hohe Packungsdichte, um mit reinen Halbleiterspeichern konkurrieren zu können.All reach known magnetic solid state memory types no sufficiently high packing density to deal with pure semiconductor memories to be able to compete.
Bezüglich des Lesens und Schreibens von Information in einem Speicher oder im Rahmen einer Datenverarbeitung wird beispielsweise der GMR (Giant Magneto-Resistance) Effekt oder der Hall-Effekt in den Leseköpfen ausgenutzt. Es gibt Leseköpfe, die den normalen oder anomalen Hall-Effekt aufgrund von ferromagnetischen Eigenschaften ausnutzen. Nachteile beim normalen Hall-Effekt sind die lineare Feldabhängigkeit, aufgrund derer es schwierig ist bestimmte Schwellwerte kontrolliert zu überschreiten. Angestrebt ist daher eine nicht-lineare Abhängigkeit der Hall-Spannung. Diese wird mit einem ferromagnetischen Material erreicht. Auch dabei wirkt sich die verhältnismäßig große räumliche Ausdehnung der Domänen und damit des Sensors (wie zuvor ausgeführt) negativ aus. Ein weiterer Nachteil ist, dass der Sensor selber ein ferromagnetisches Streufeld an der Oberfläche aufweist. Dies kann den magnetischen Zustand der ausgelesen werden soll nachteilig beeinflussen.In terms of reading and writing information in a memory or As part of a data processing, for example, the GMR (Giant Magneto-Resistance effect or the Hall effect in the read heads exploited. There are reading heads that are normal or abnormal Exploit Hall effect due to ferromagnetic properties. disadvantage the normal Hall effect is the linear field dependence, because of which it is difficult to control certain thresholds To exceed. The aim is therefore a non-linear one Dependence of the Hall voltage. This is using a ferromagnetic Material reached. Again, the relative affects large spatial extent of the domains and thus the sensor (as stated previously) negative. Another disadvantage is that the sensor itself is a ferromagnetic Has stray field at the surface. This can be the magnetic State of reading should be adversely affect.
Neben der Speicherung von Informationen spielen magnetische Zustände auch bei der Verarbeitung von Informationen (Rechnen, Steuern, Regeln, Messen) eine zentrale Rolle. Konventionell werden durch die Änderung von binären Zuständen logische Operationen und mathematische Verknüpfungen ermöglicht. Dies ist die Grundlage aller modernen Computersysteme. Eine wichtige Anwendung ist die Verschlüsselung und Entschlüsselung von Informationen. Eine neue Methode solche Rechenoperationen zu bewerkstelligen, nutzt die sogenannte quantenmechanische Verschränkung (Englisch: Entanglement) magnetischer Zustände. Hierfür ist es notwendig, dass die verwendeten Zustände langfristig stabil sind, was durch die Kohärenzzeit gemessen wird, und sich quantenmechanisch verschränken lassen. Derzeit können magnetische Texturen (Domänen) nicht für Quantencomputing verwendet werden, weil sie zu groß und vor allem zu instabil sind. Dadurch haben sie keine ausreichenden Kohärenzzeiten. Ferner sind bezüg lich des Quantentunnels, welches im Hinblick auf Quantencomputer ausgenutzt werden soll, die magnetischen Domänen ferromagnetischer Materialien in ihrer Ausdehnung zu groß (typisch mindestens einige 1.000 Å).Next The storage of information plays magnetic states also in the processing of information (arithmetic, taxes, rules, Measuring) a central role. Becoming conventional by the change from binary states to logical operations and mathematical links allows. This is the basis of all modern computer systems. An important application is the encryption and decryption of Information. A new way to handle such arithmetic operations uses the so-called quantum mechanical entanglement (English: Entanglement) of magnetic states. For this is it necessary that the states used long term are stable, which is measured by the coherence time, and can be entangled quantum mechanically. Currently Magnetic textures (domains) can not for Quantum computing can be used because they are too big and above all, are too unstable. As a result, they do not have sufficient Coherence times. Furthermore, with regard to the quantum tunnel, which should be exploited with regard to quantum computers, the magnetic domains of ferromagnetic materials too large in size (typically at least a few 1,000 Å).
Seit langem vermutet man aufgrund theoretischer Untersuchungen, dass sich in bestimmten Materialien magnetische Zustände ausbilden können die topologisch stabile Knoten der Spinstruktur darstellen. Das Zentrum eines solchen topologisch stabilen Zustands ist im Prinzip ein singulärer Punkt; also im Extremfall ein einzelnes Atom als kleinste charakteristische Länge in Festkörpern. Dies schafft theoretisch die Möglichkeit einer extrem hohen Packungsdichte von magnetischen Zuständen. Ein ungelöstes Problem war jedoch die ebenfalls vermutete geringe Stabilität der topologischen Zustände, sodass sie für technische Anwendungen nicht in Betracht gezogen wurden.since For a long time one assumes based on theoretical investigations that magnetic states develop in certain materials can be the topologically stable nodes of the spin structure represent. The center of such a topologically stable state is in principle a singular point; in extreme cases a single atom as the smallest characteristic length in solids. This theoretically creates the possibility an extremely high packing density of magnetic states. An unsolved problem, however, was the equally suspected minor Stability of the topological states, so they were not considered for technical applications were.
Obwohl Alternativen zu existierenden Informationsspeichermechanismen, Speichermedien oder auch elektronischen Speicherkomponenten seit geraumer Zeit gesucht werden, konnte bisher keine äquivalente oder bessere Lösung aufgefunden werden.Even though Alternatives to existing information storage mechanisms, storage media or Electronic components have been searched for quite some time So far, no equivalent or better solution could be found be found.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Komponente (bspw. einen Informationsspeicher oder Verarbeitungseinheit) mit einem Material mit homochiraler magnetischer Komponente aufweist. Die homochirale magnetische Komponente ist eine instrinsische Eigenschaft des Materials und nicht mit Vortex-Strukturen herkömmlicher Ferromagneten, beispielsweise an Kreuzungspunkten von Domänenwänden, oder Systemen mit magnetischen Frustrationen zu verwechseln. Zur Erzeugung der intrinsischen homochiralen Komponenten wird das Material derart ausgestaltet, dass dessen Kristallstruktur entweder kein Inversionszentrum aufweist oder bei Kristallstrukturen mit einem Inversionszentrum eine Grenzfläche (bspw. Schichtbildung) gebildet wird. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Grenzfläche selbst kein Inversionszentrum besitzt. Weiter ist das Material so ausgestaltet, dass eine Eigenschaft eines topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur zur Informationsspeicherung und/oder Informationsverarbeitung geändert werden kann. Dadurch lassen sich kleinere, effizientere und leistungsfähigere Informationsspeicher bzw. Datenverarbeitungsvorrichtung oder -komponenten bereitstellen oder eine stabilere, kompaktere und effizientere Informationsverarbeitung erreichen.According to one aspect of the present invention, there is provided a data processing apparatus comprising a component (eg, an Infor mation memory or processing unit) with a material having a homochiral magnetic component. The homochiral magnetic component is an intrinsic property of the material and should not be confused with vortex structures of conventional ferromagnets, for example, at junction points of domain walls, or systems with magnetic frustrations. To generate the intrinsic homochiral components, the material is designed in such a way that its crystal structure either has no inversion center or, in the case of crystal structures with an inversion center, an interface (for example layer formation) is formed. This exploits the fact that the interface itself has no inversion center. Further, the material is designed so that a property of a topologically stable node of the spin structure for information storage and / or information processing can be changed. This can provide smaller, more efficient, and more powerful information storage or computing devices or components, or achieve more stable, more compact, and more efficient information processing.
Verwendet werden magnetische Zustände die aus topologisch stabilen Knoten der Spintruktur bestehen. So wurde erkannt, dass sich solche Zustände in Materialien mit chiralen magnetischen Komponenten durch eine oder mehrer der folgenden Maßnahmen kontrollieren lassen: Erzeugen einer magnetischen Anisotropie, einer Oberflächenanisotropie oder einer Grenzflächenanisotropie. Weiter ist dies durch Anlegen eines elektrischen Feldes, durch Erzeugen einer mechanischen Verspannung oder einer Verzerrung, Einbringen einer Unordnung der Kristallstruktur oder das Einbringen oder Ausnutzen von Defekten der Kristallstruktur möglich. Ebenso kommt das gezielte Verunreinigen der chemischen Zusammensetzung, das Ausnutzen eines metallischen Verhaltens, eines halbleitenden Verhaltens, eines supraleitenden Verhaltens, eines isolierenden Verhaltens, eines Metall-Isolator-Übergangs, eines Supraleiter-Metall-Übergangs, eines Halbleiter-Metall-Übergangs, eines Supraleiter-Halbleiter Übergangs, einer Temperatur in Betracht. Dabei kann insbesondere die Ausbildung eines Gitters solcher Knoten erreicht werden. Natürlich kommen auch Kombinationen der vorgenannten Maßnahmen in Betracht. Die Eigenschaft des topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur, die geändert wird, kann seine Existenz, eine Orientierung, eine räumliche Lage, eine räumliche Ausdehnung, eine togologische Windungszahl und/oder die Chiralität sein.used magnetic states become topologically stable There are nodes of the spin structure. So it was recognized that such Conditions in materials with chiral magnetic components Check by one or more of the following measures Let: generate a magnetic anisotropy, a surface anisotropy or an interfacial anisotropy. Next is this through Applying an electric field by generating a mechanical Distortion or distortion, introducing a disorder of the crystal structure or the introduction or exploitation of defects of the crystal structure possible. Likewise comes the deliberate pollution of the chemical composition, the exploitation of a metallic behavior, a semiconducting Behavior, a superconducting behavior, an insulating behavior, a metal-insulator junction, a superconductor-metal junction, a semiconductor-metal junction, a superconductor-semiconductor junction, a temperature into consideration. In particular, the training a grid of such nodes can be achieved. Naturally Combinations of the above measures are also included Consideration. The property of the topologically stable node of the spin structure, which is changed, its existence, an orientation, a spatial location, a spatial extension, a togological number of turns and / or the chirality be.
Es wurde festgestellt, dass sich ein topologisch stabiler Knoten der Spinstruktur auf mehrere verschiedene Arten bereitstellen und/oder manipulieren lässt. In einer Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch eine magnetische Anisotropie erzeugt bzw. manipuliert werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch eine Oberflächenanisotropie erzeugt bzw. manipuliert werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch eine Grenzflächenanisotropie erzeugt bzw. manipuliert werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch ein elektrisches Feld erzeugt bzw. manipuliert werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch eine Unordnung der Kristallstruktur erzeugt bzw. manipuliert werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch eine Verunreinigung erzeugt bzw. manipuliert werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch einen Defekt erzeugt bzw. manipuliert werden. In einer weiteren Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch ein metallisches Verhalten erzeugt bzw. manipuliert werden. In weiteren Ausgestaltung kann der topologisch stabile Knoten der Spinstruktur vorteilhaft gezielt durch einen Metall-Isolatorübergang an einer Grenzschicht, einen Supraleiter-Metallübergang an einer Grenzschicht, oder eine Temperatur, die Kristallisation vieler Knoten zu einem Gitter und/oder eine Kombination einiger oder aller vorgenannten Maßnahmen erzeugt und/oder gesteuert werden.It It was found that a topologically stable node of the Provide spin structure in several different ways and / or let manipulate. In one embodiment, the topological stable nodes of the spin structure favorably targeted by a magnetic Anisotropy generated or manipulated. In a further embodiment the topologically stable node of the spin structure can be advantageous specifically generated by a surface anisotropy or be manipulated. In a further embodiment, the topological stable nodes of the spin structure favorably targeted by an interfacial anisotropy be generated or manipulated. In a further embodiment the topologically stable node of the spin structure can be advantageous be selectively generated or manipulated by an electric field. In a further embodiment, the topologically stable node the spin structure favorably targeted by a disorder of the crystal structure be generated or manipulated. In a further embodiment the topologically stable node of the spin structure can be advantageous can be selectively generated or manipulated by an impurity. In a further embodiment, the topologically stable node the spin structure advantageously generated specifically by a defect or manipulated. In a further embodiment, the topological stable nodes of the spin structure favorably targeted by a metallic Behavior generated or manipulated. In another embodiment the topologically stable node of the spin structure can be advantageous targeted by a metal-insulator transition at a boundary layer, a superconductor metal transition at a boundary layer, or a temperature, the crystallization of many nodes to one Grid and / or a combination of some or all of the above Measures are generated and / or controlled.
Es wurde erkannt, dass magnetische Strukturen mit homochiralen Komponenten ähnlich wie ferromagnetische Domänen verwendet werden können. Zweitens wurden Möglichkeiten gefunden, magnetische Zustände in der Form topologischer Knoten der Spinstruktur deutlich stabiler zu machen, als Domänenzustände und Domänenwände ferromagnetischer oder antiferromagnetischer Materialien. Außerdem ist die Ausdehnung der topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften kleiner als die technologisch relevanten Zustände bei herkömmlichen magnetischen Materialien. Die erfindungsgemäß ausgewählten bzw. ausgestalteten Materialien können dann genauso wie bisher weiche Ferromagnete eingesetzt werden, wobei sie eine höhere Packungsdichte und aufgrund ihrer verbesserten Manipulierbarkeit auch eine Vielzahl anderer verbesserter Eigenschaften von Speichern ermöglichen.It It was recognized that magnetic structures similar to homochiral components how ferromagnetic domains can be used. Second, possibilities were found, magnetic states in the form of topological nodes of the spin structure much more stable as domain states and domain walls ferromagnetic or antiferromagnetic materials. Furthermore is the extension of the topologically stable nodes of the spin structure due to their inherent properties smaller than that technologically relevant states in conventional magnetic materials. The inventively selected or designed materials can then just as before soft ferromagnets are used, giving them a higher Packing density and due to their improved manipulability also allow a variety of other improved properties of memories.
Dabei ist zu beachten, dass bei Verwendung der Streufelder die topologische Eigenschaft dahingehend vorteilhaft genutzt werden kann, dass sie für Stabilität sorgt. Beim weiter unten beschriebenen topologischen Hall-Effekt und beim Quantencomputing werden tatsächlich auch die eigentlichen topologischen Eigenschaften (Windungszahl und Chiralität) genutzt.It should be noted that when using the stray fields, the topological property can be advantageously used to provide stability. In the topological Hall effect described below and in quantum computing actually the actual topology properties (turns and chirality).
Es werden also topologische, intrinsische Eigenschaften des Materials ausgenutzt, wobei erkannt wurde, dass diese im Sinne ferromagnetischer Materialien verwendet werden können. Darüber hinaus basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, dass bestimmte Materialgruppen spontan oder durch spezifische Verarbeitung (beispielsweise in dünnen Schichten und/oder Mikro- und/oder Nanostrukturierung) eine partielle homochirale Struktur aufweisen, die als Informationsspeicher genutzt werden kann. Im Unterschied zu bekannten Informationsspeichern, insbesondere ferromagnetischen Materialien, besitzt der Informationsspeicher im Grunde keine räumliche Ausdehnung mehr.It thus become topological, intrinsic properties of the material exploited, which was recognized that these in the sense of ferromagnetic materials can be used. In addition, based the invention based on the finding that certain groups of materials spontaneously or by specific processing (for example in thin layers and / or micro- and / or nanostructuring) a partial homochiral Have structure that are used as an information store can. In contrast to known information stores, in particular ferromagnetic materials, owns the information store basically no spatial extension anymore.
Das Material weist eine intrinsische magnetische Ordnung auf, von der zumindest eine Komponente eine ihr innewohnende Händigkeit (Chiralität) besitzt.The Material exhibits an intrinsic magnetic order of which at least one component has an inherent handedness (Chirality) possesses.
Vorteilhaft werden Materialien mit magnetischer Ordnung, die rein links- oder rechtshändig ist, verwendet. Zur Informationsspeicherung ist es vorteilhaft, wenn der Drehsinn in diesem Sinne ausgezeichnet ist. Andernfalls ließe sich die Drehrichtung des Zentrums des Wirbels bei Anwendungen bei denen dieser Drehsinn direkt ausgenutzt wird, wie dem unten beschriebenen topologischen Hall-Effekt oder dem Quantencomputing, nicht eindeutig bestimmen und entsprechende Anwendungen wären nicht möglich.Advantageous become materials with magnetic order that are purely left-or right-handed is used. For information storage It is advantageous if the sense of rotation in this sense excellent is. Otherwise, the direction of rotation of the center could be of the vortex in applications where this sense of rotation directly exploited is such as the topological Hall effect described below or the Quantum computing, not clearly determine and appropriate applications would not be possible.
So kann gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Hall-Sensor mit dem erfindungsgemäß präparierten und verwendeten Material bereitgestellt werden, der eine nichtlineare Spannungsabhängigkeit von einem externen Magnetfeld aufweist jedoch selbst nicht ferromagnetisch ist, da der topologisch stabile Knoten im Prinzip einen Antiferromagnet darstellt.So According to one aspect of the invention, a Hall sensor with the invention prepared and material used that is nonlinear Voltage dependence of an external magnetic field has however, it is not ferromagnetic itself, since the topologically stable node in principle represents an antiferromagnet.
In einer anderen Vorrichtung werden die topologisch stabilen Zustände im Sinne von Atomen, also quantisierten Einheiten, zur Erstellung verschränkter Zustände für das Quantencomputing verwendet, da erkannt wurde, dass diese topologischen Zuständen langlebig genug sind. Dahinter steckt die Erkenntnis, dass die topologisch stabilen Knoten so klein gemacht werden können, dass eine quantenmechanische Verschränkung möglich ist. Von Bedeutung kann dies für bestimmte numerische Algorithmen sein die beispielsweise die Entschlüsselung verschlüsselter Datensätze beschleunigt bzw. überhaupt erst ermöglicht. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird also ein togologischer Quantencomputer bereitgestellt, bei dem die Informationsspeicherung mittels eines Materials der beschriebenen Art vorgenommen wird.In another device becomes the topologically stable states in the sense of atoms, ie quantized units, for the creation entangled states for quantum computing used because it was recognized that these topological states are durable enough. Behind this is the realization that the topological stable node can be made so small that one quantum mechanical entanglement is possible. This may be significant for certain numerical algorithms for example, the decryption encrypted Accelerates records or even made possible. According to this aspect of the invention is thus a togological quantum computer provided in which the information storage is made by means of a material of the type described.
Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung können vorteilhaft Materialklassen verwendet werden, die magnetisch ordnen oder an der Grenze der magnetischen Ordnung sind, wobei die magnetische Ordnung eine ausgezeichnete Händigkeit besitzt. Das bedeutet, dass die magnetische Ordnung entweder rein links- oder rein rechtshändig ist. Derartige Materialien können in Form von sich spontan bildenden kristallinen Substanzen auftreten. Außerdem können die gewünschten Eigenschaften an Oberflächen oder Grenzflächen auftreten. Daher stellt die vorliegende Erfindung die Möglichkeit bereit, auf Spinstrukturen mit topologisch stabilen Knoten basierende Informationsspeicher gezielt anzufertigen. Durch Anordnung in Oberflächen oder Grenzflächen wird gezielt die Inversionssymmetrie unterdrückt.According to others Aspects of the invention may advantageously be material classes can be used, which arrange magnetically or at the limit of the magnetic Order, the magnetic order being excellent Has handedness. That means the magnetic Order is either purely left or right-handed. Such materials may spontaneously form in the form of crystalline substances occur. In addition, you can the desired properties on surfaces or Interfaces occur. Therefore, the present invention provides the opportunity ready to spin structures with topological to make stable node-based information stores targeted. By Arrangement in surfaces or interfaces specifically suppresses the inversion symmetry.
Die Erfindung basiert außerdem auf der Erkenntnis, dass die Homochiralität eine Folge der strukturellen Asymmetrie der Spinbahnkopplung ist. Durch Konkurrenz von Spinbahnkopplung und Austauschwechselwirkung können gezielt topologisch stabile Knoten der Spinstruktur erzeugt werden.The Invention is also based on the recognition that the Homochirality a consequence of structural asymmetry the spin-orbit coupling is. By competition from spin-orbit coupling and exchange interaction can be targeted topologically stable Nodes of the spin structure are generated.
Das Material kann ein Material sein, dem die inversionssymmetrie, zumindest hinsichtlich einer lokalen Atom- oder Molekülgruppe, fehlt. Insbesondere kann das Material eine Verbindung aus Elementen der Übergangsmetalle wie Eisen, Kobalt oder Mangan, oder Elementen aus den Seltenen Erden mit Elementen wie Silizium, Germanium oder Aluminium sein. Vorteilhaft kann das Material einen stöchiometrische Verbindung wie Mangansilizium (MnSi) oder eine Mischverbindung wie Fe1-xCoxSi oder FeSi1-xGex sein.The material may be a material that lacks inversion symmetry, at least with respect to a local atomic or molecular group. In particular, the material may be a compound of elements of the transition metals such as iron, cobalt or manganese, or elements of the rare earths with elements such as silicon, germanium or aluminum. Advantageously, the material may be a stoichiometric compound such as manganese silicon (MnSi) or a mixed compound such as Fe 1-x Co x Si or FeSi 1-x Ge x .
Das Material kann vorteilhaft in einer Schicht angeordnet sein. Die Stärke der Schicht kann etwa eine Atomlage sein, wodurch sich kleine Strukturen bilden lassen. Andererseits kann die Schicht auch eine Stärke von einigen Nanometern aufweisen, um eine erhöhte Stabilität zu bieten. Auch eine Schicht mit einer Stärke von einigen Nanometern weist an ihrer Grenzfläche die erwünschten homochiralen Wirbel (topologische Knoten) auf, wenn es in der vorbeschriebenen Art ausgestaltet bzw. präpariert ist.The Material can advantageously be arranged in a layer. The Strength of the layer can be about one atomic layer, thereby to form small structures. On the other hand, the layer also have a thickness of a few nanometers to one to provide increased stability. Also a layer with a thickness of a few nanometers has at its interface the desired homochiral vortices (topological nodes) when it is designed or prepared in the manner described above is.
Das Material kann vorteilhaft ein nano- oder mikrostrukuriertes System sein, dass einige Atome umfasst, wodurch sich gezielt elektronische Bauelemente herstellen lassen. Dies kann eine Gruppe von einigen Atomen oder eine kleine Fläche oder ein Draht sein, die mindestens in einer lateralen Dimension einige Atome breit ist.The Material may advantageously be a nano- or microstructured system be that includes some atoms, thereby targeting electronic Have components manufactured. This can be a group of some Atoms or a small surface or a wire that is at least in a lateral dimension is a few atoms wide.
Das Material kann im Wesentlichen eine Grenzfläche sein oder diese umfassen. Das Material kann auch nur eine Atomlage oder wenige Atomlagen an einer Grenzfläche umfassen. Das Material kann auch eine Schicht von einigen nm Stärke an einer Grenzfläche umfassen.The material may essentially be or include an interface. The material may also comprise only one atomic layer or a few atomic layers at an interface. The material can also be a layer of a few nm thickness of egg ner interface.
Weiter wird ein Verfahren zur Speicherung von Information bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst das Manipulieren eines Materials mit homochiraler magnetischer Komponente. Das Material weist eine Kristallstruktur auf, der entweder ein Inversionszentrum fehlt, oder das Material besitzt eine Grenzfläche, die zur Informationsspeicherung benutzt werden kann. Weiter wird ein topologisch stabiler Knoten der Spinstruktur des Materials zur Informationsspeicherung genutzt, indem bspw. die Existenz, Orientierung, Lage, räumliche Ausdehnung, topologische Eigenschaften wie Windungszahl oder Chiralität verändert wird.Further a method of storing information is provided. This method involves manipulating a material with homochiral magnetic component. The material has a crystal structure which either lacks an inversion center or the material has an interface for information storage can be used. Next, a topologically stable node of Spin structure of the material used for information storage, for example, the existence, orientation, location, spatial Expansion, topological properties such as number of turns or chirality is changed.
Das Manipulieren der Eigenschaften des topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur kann entweder durch Anlegen eines äußeres Magnetfeld, eines äußeren elektrischen Feldes, durch Anlegen elektromagnetischer Wechselfelder, durch Anlegen eines elektrischen Stroms oder Erzeugen einer mechanischen Verspannung des Materials oder eine Kombination dieser Maßnahmen erfolgen.The Manipulate the properties of the topologically stable node The spin structure can be created either by applying an outer Magnetic field, an external electric field, by applying alternating electromagnetic fields, by applying a electric current or generating a mechanical strain material or a combination of these measures.
Das Auslesen von gespeicherter Information oder das Schreiben von Information kann durch mindestens einen der folgenden Schritte erfolgen: Das Beeinflussen der Transporteigenschaften des Materials, das Verändern des Widerstandes in Abhängigkeit vom magnetischen Zustand des Materials, künstliches Erzeugen von Grenzflächen, wodurch der Widerstand des Materials beeinflusst wird, das Beeinflussen der mechanischen Eigenschaften des Materials, Ausnutzen eines magnetoelastischen Effekts, Ändern der elastischen Konstanten, insbesondere der Elastizitätsmoduli durch Ändern magnetischer Eigenschaften, das Beeinflussen der thermodynamischen Eigenschaften des Materials, das Ausnutzen eines magnetokalorischen Effekts und/oder das Ausnutzen eines thermoelektrischen Effekts insbesondere durch Ausgestaltung als Peltier-Element.The Reading stored information or writing information can be done by at least one of the following steps: Influencing the transport characteristics of the material, changing of the resistance as a function of the magnetic state of the material, artificial creation of interfaces, which influences the resistance of the material, affecting it the mechanical properties of the material, exploiting a magnetoelastic Effects, changing the elastic constants, in particular the Moduli of elasticity by changing magnetic properties, influencing the thermodynamic properties of the material, the exploitation of a magnetocaloric effect and / or the exploitation a thermoelectric effect, in particular by design as a Peltier element.
Die Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Datenverarbeitungsvorrichtung bereit, wobei dort ein Material zur Speicherung von Informationen der Datenverarbeitungsvorrichtung angeordnet wird. Der Kristallstruktur des Materials fehlt ein Inversionszentrum oder das Material ist in einer dünnen Schicht angeordnet, oder bildet eine Grenzfläche oder ein mikro- oder nanostrukturiertes System, in dem sich die gewünschten topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur einstellen. Die Vorrichtung wird eingerichtet, um eine Eigenschaft eines topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur in dem Material zur Informationsspeicherung bzw. -verarbeitung zu ändern. Es kommen insbesondere Verfahren der Halbleitertechnologie und bspw. auch Mikro- oder Nanostrukturierungsverfahren in Betracht, um eine erfindungsgemäße Vorrichtung herzustellen. Die Wirbel (topologische Knoten) können durch Einbringen einer gezielten Unordnung in dem Material stabilisiert werden. Die Stärke der Anisotropie des Materials kann ausgenutzt werden, um topologisch stabile Knoten der Spinstruktur zu erzeugen und/oder zu vernichten. Die chiralen Wechselwirkungen können durch magnetische Frustrationen oder konkurrierende Wechselwirkungen unterstützt werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens können die topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur durch Unordnung von einigen parts per million (ppm) stabilisiert werden. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann es bei besonderen Anforderungen auch erforderlich sein die topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur durch Unordnung von bis zu einigen Prozent zu stabilisieren. Das erforderliche Maß der Verunreinigung kann durch Versuche ermittelt werden und hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ab. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens können die topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur in der Regel durch Defekte und Verunreinigungen von nur einigen ppm stabilisiert werden. Die Vorrichtung kann in einer weiteren Ausgestaltung so eingerichtet sein, dass die topologisch stabilen Knoten durch den Übergang zwischen metallischem, halbleitendem, isolierendem und/oder supraleitendem Material stabilisiert werden. Bei den erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhaft allgemein die Stärke der Anisotropie des Materials ausgenutzt werden, um topologisch stabile Knoten der Spinstruktur zu erzeugen und/oder zu vernichten. Gemäß einem weiteren Aspekt können die chiralen Wechselwirkungen durch magnetische Frustrationen unterstützt werden.The Invention also provides a method of manufacturing a data processing device, where there is arranged a material for storing information of the data processing device becomes. The crystal structure of the material lacks an inversion center or the material is arranged in a thin layer, or forms an interface or a micro- or nanostructured system, in which the desired topologically stable nodes adjust the spin structure. The device is set up a property of a topologically stable node of the spin structure in the information storage or processing material. There are in particular methods of semiconductor technology and, for example. Also, micro- or nanostructuring method to a inventive Device to produce. The vortexes (topological nodes) can stabilized by introducing a targeted disorder in the material. The strength of the anisotropy of the material can be exploited be used to generate topologically stable nodes of the spin structure and / or destroy. The chiral interactions can be through magnetic frustrations or competing interactions supported become. In the context of the manufacturing method according to the invention can be the topologically stable nodes of the spin structure stabilized by disorder of a few parts per million (ppm) become. In the context of the manufacturing method according to the invention it may also be necessary for special requirements topologically stable node of the spin structure due to disorder of to stabilize up to a few percent. The required level of Pollution can be detected by experiments and hangs from the specific requirements of each application. In the context of the manufacturing method according to the invention can be the topologically stable nodes of the spin structure usually by defects and impurities of only a few be stabilized ppm. The device can in a further embodiment be set up so that the topologically stable node through the transition between metallic, semiconducting, insulating and / or superconducting material. In the inventive Generally, the method can be the strength of the anisotropy exploited to topologically stable nodes of the spin structure to create and / or destroy. According to one Another aspect may be the chiral interactions magnetic frustrations are supported.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine Datenverarbeitungsvorrichtung einen Speicher beinhalten, der ähnlich wie ein Racetrack-Memory ausgestaltet ist. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass die topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur nur ein geringes Pinning an die Kristallstruktur aufweisen, das heißt sie lassen sich leicht mit geringen Stromdichten von beispielsweise maximal einigen 106 A/m2 oder geringeren Stromdichten verschieben.In an advantageous embodiment of the invention, a data processing device may include a memory that is configured similar to a racetrack memory. In this case, it can be exploited that the topologically stable nodes of the spin structure have only a small pinning to the crystal structure, that is to say they can easily be shifted with low current densities of, for example, a maximum of a few 10 6 A / m 2 or lower current densities.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung kann dann derart ausgestaltet sein, dass die topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur durch elektrische Ströme, elektromagnetische Strahlungsfelder, Streufelder an Tunnel- oder Kraftmikroskopen oder mechanische Verspannungen verschoben werden.The Data processing device can then be designed in such a way that the topologically stable nodes of the spin structure by electrical currents, electromagnetic radiation fields, stray fields at tunnel or Force microscopes or mechanical tension can be moved.
Die Ausdehnung bzw. Größe der topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur kann durch die Beziehung der Austauschwechselwirkung zur Spin-Bahnkopplung und andere Wechselwirkungen beeinflusst werden. Zusätzlich kann sie durch Frustration und/oder konkurrierende Wechselwirkungen beeinflusst werden.The size of the topologically stable nodes of the spin structure can be influenced by the relationship of the exchange interaction to spin-orbit coupling and other interactions. Additionally, it may be due to frustration and / or competing interactions to be influenced.
Das Herstellungsverfahren in Form von dünnen Schichten (beispielsweise Aufdampfen, Sputtern, Pulsed Laser Deposition (PLD), Molecular Beam Epitaxy (MBE)) ist dabei verhältnismäßig einfach und kostengünstig. Durch Einsatz dieser Verfahren ist eine gute Kontrolle der Zusammensetzung, Grenzflächen und Reinheit möglich. Es kann durch die genannten und andere technisch übliche Verfahren bewerkstelligt werden. Aufgrund der hohen Packungsdichte kann weiterhin die Verarbeitungsgeschwindigkeit von Information (z. B. Datendurchsatz) deutlich erhöht werden.The Manufacturing process in the form of thin layers (for example Vapor deposition, sputtering, Pulsed Laser Deposition (PLD), Molecular Beam Epitaxy (MBE)) is relative easy and inexpensive. By using these methods is a good control of the composition, interfaces and purity possible. It can by the mentioned and others technically common procedures are accomplished. by virtue of The high packing density can further increase the processing speed of information (eg data throughput) significantly increased become.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Speicherung von Information bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird ein Material mit homochiraler magnetischer Komponente zur Informationsverarbeitung verwendet, wobei der Kristallstruktur des Materials ein Inversionszentrum fehlt oder bei vorhandenem Inversionszentrum eine Grenzfläche des Materials zur Informationsspeicherung ausgenutzt wird. Dies kann beispielsweise auch in mikro- oder nanostruktierten Systemen erreicht werden.According to one Another aspect of the invention is a method of storage provided by information. The process becomes a material with homochiral magnetic component for information processing used, wherein the crystal structure of the material lacks an inversion center or at an existing inversion center, an interface the material is used for information storage. This For example, it can also be used in micro- or nanostructured systems be achieved.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird zur Informationsverarbeitung bzw. Speicherung eine Eigenschaft eines Materials mit homochiraler magnetischer Ordnung geändert bzw. manipuliert. Das Material weist eine Kristallstruktur auf, der entweder ein Inversionszentrum fehlt, oder das Material weist eine Grenzfläche auf. Das Material kann eine dünne Schicht darstellen. Die veränderte Eigenschaft des Materials kann dann vorteilhaft die Änderung einer Eigenschaft eines topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur des Materials sein. Diese Änderung des topologischen Knotens wird zur Informationsverarbeitung und/oder -speicherung genutzt. Dazu kann beispielsweise die Existenz, Orientierung, Lage, räumliche Ausdehnung, topologische Eigenschaft, wie Windungszahl und/oder Chiralität, des topologisch stabilen Knotens verändert werden.According to one Aspect of the invention is for information processing or storage a property of a material with homochiral magnetic order changed or manipulated. The material has a crystal structure which either lacks an inversion center or the material has an interface. The material can be a thin layer represent. The altered property of the material can then advantageously changing a property of a topological stable node of the spin structure of the material. This change of the topological node is used for information processing and / or storage used. For example, the existence, orientation, Location, spatial extent, topological property, such as Winding number and / or chirality, the topologically stable Knotens are changed.
Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung kann ein Verfahren zur Verarbeitung von Informationen die vorstehenden Aspekte umfassen und außerdem ausnutzen, dass die topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur des Materials quantenmechanisch verschränkt sind.According to others Aspects of the invention may include a method of processing information encompass and exploit the above aspects, that the topologically stable nodes of the spin structure of the material are entangled quantum mechanically.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Material mit homochiraler magnetischer Komponente in besonders hoher Reinheit her- bzw. bereitgestellt. Hierdurch können die notwendigen Stromdichten zur Änderung der magnetischen Eigenschaften deutlich verringert werden. Das Herbeiführen einer Anisotropie zur Erzeugung bzw. Stabilisierung der topologischen Knoten ist dadurch ebenfalls gezielter möglich.According to one Another aspect of the present invention is the material with homochiral magnetic component in a particularly high purity provided or provided. This allows the necessary Current densities to change the magnetic properties be significantly reduced. Inducing anisotropy to generate or stabilize the topological nodes is thereby also more targeted possible.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren, wobeiFurther advantageous aspects of the invention will become apparent from the following Description of the preferred embodiments based the attached figures, wherein
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION THE EMBODIMENTS
Von
den insgesamt 230 Raumgruppen die in der Natur vorkommen können
Materialien aus 65 Raumgruppen die gezeigten topologisch stabilen Knoten
aufweisen. Ein relevantes Beispiel ist die Raumgruppe 620. Hier
entsteht als topologisch stabile Struktur ein Wirbelfaden (Skyrmion)
von dem in
Nachfolgend werden einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele beschrieben. Diese können mit bekannten Verfahren hergestellt werden, wie sie aus der Halbleitertechnologie bekannt sind. Insbesondere sind Verfahren zur Bildung von Schichten wie chemische oder physikalische Ablagerungsverfahren (CVD, PVD), Sputtern, Aufwachsen und dotieren bzw. gezieltes Verunreinigen von Schichten einsetzbar. Weiter kommen Pulsed Laser Deposition (PLD) oder epitaktische Verfahren wie Molecular Beam Epitaxy (MBE) in Betracht. Insbesondere können die nachfolgenden Ausführungsbeispiele vorteilhaft als mikro- und/oder nanostrukturierte Systeme bereitgestellt werden.following some advantageous embodiments will be described. These can be produced by known methods, as they are known from semiconductor technology. Especially are methods of forming layers such as chemical or physical Deposition method (CVD, PVD), sputtering, growth and doping or targeted contamination of layers can be used. Come on Pulsed laser deposition (PLD) or epitaxial methods such as Molecular Beam epitaxy (MBE). In particular, the following can Embodiments advantageous as micro- and / or nanostructured Systems are provided.
Ein
Schreib-/Lesekopf gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung benötigt nur noch eine Schicht bzw. ein Material
In einer vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich die Erfindung für Anwendungen nutzen, die auf dem Hall-Effekt basieren. So gibt es beispielsweise Hall-Sensoren, die auf dem anomalen Hall-Effekt beruhen, der die ferromagnetischen Eigenschaften betrifft. Ein Hall-Sensor könnte dann ein zuvor beschriebenes Material umfassen, dass eine Kristallstruktur aufweist, dem entweder eine Inversionssymmetrie fehlt, oder bei vorhandener Inversionssymmetrie eine Grenzfläche aufweist. Dieses Material wird so angeordnet, dass eine Eigenschaft einer magnetischen Wirbelstruktur in Form eines topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur des Materials genutzt wird. Dadurch werden topologische Hall-Spannungen von einigen Mikrovolt bis zu einigen Zehntel Volt erzeugt. Die Lebensdauer der topologisch stabilen Knoten muss nicht länger wie für den Lesevorgang sein, kann aber auch zeitlich unbeschränkt sein.In an advantageous embodiment, the invention can be for applications based on the Hall effect. For example, there are Hall sensors that rely on the anomalous Hall effect based on the ferromagnetic properties. A Hall sensor could then comprise a previously described material, that has a crystal structure that lacks either inversion symmetry, or in the presence of inversion symmetry, an interface having. This material is arranged so that a property a magnetic vortex structure in the form of a topologically stable node the spin structure of the material is used. This will be topological Hall voltages from a few microvolts to a few tenths of a volt generated. The lifetime of topologically stable nodes does not have to be can be longer than for the read, but can also be unlimited in time.
Ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet für die vorliegende Erfindung sind Riesenmagneto-Widerstandselemente (Giant-Magneto-Resistance-Elements, GMR), wie sie von Grünberg und Fert vorgeschlagen wurden. Bei der Datenverarbeitung kommen häufig Kombinationen von ferro- und antiferromagnetischen Materialien zum Einsatz, was beim GMR-Tunneleffekt ausgenutzt wird.One Another advantageous application for the present The invention relates to giant magneto-resistance elements (giant magneto-resistance elements, GMR), as proposed by Grünberg and Fert. In the data processing often come combinations of ferro- and antiferromagnetic materials used in the GMR tunnel effect is exploited.
Eine weitere mögliche Nutzung der Erfindung besteht im Ausnutzen der magnetischen Zustände. Datenverarbeitung besteht ganz allgemein in der Verwendung magnetischer Zustände. Die gesamte moderne Datenverarbeitung basiert dabei immer noch auf binären Zuständen, wobei teilweise auch mehr als zwei Zustände kodiert werden. Darin besteht auch die maßgebliche Grenze der konventionellen Datenverarbeitung. Diese soll mittels Quantencomputern überwunden werden. Dabei werden Zustände quantenmechanisch verschränkt, wodurch weitaus höhere Zustandsdichten erreicht werden. Das Problem besteht derzeit jedoch darin, dass die Lebensdauer der Zustände, die verschränkt werden, zu gering ist. Diese Lebensdauer wir durch die sog. Kohärenzzeit ausgedrückt. in allen bisher bekannten Fällen betrug sie nicht mehr als einige Millisekunden. Durch Verwendung topologisch stabiler Knoten der Spinstruktur kann die Lebensdauer prinzipiell beliebig erhöht werden, da die Zustände durch ihre topologischen Eigenschaften vor Dekohärenzphänomenen geschützt sind. Dabei wird das Material wie oben beschrieben zubereitet, angeordnet und verwendet. Insbesondere müssen die togologisch stabilen Knoten der Spinstruktur so angeordnet werden, dass es zu einer quantenmechanischen Verschränkung kommen kann. Dies ist für eine möglichst kompakte räumliche Entfernung der Fall. Vorteilhaft kann sein eine Entfernung die kleiner ist wie die Ausdehnung des Knotens. Vorteilhaft kann auch eine Anordnung sein, die größer ist wie die typische Ausdehnung der Knoten. Die Natur des Zustands eines Knotens (also Orientierung, Chiralität, Lage und Ausdehnung) hängt dann im verschränkten Zustand vom Zustand eines oder mehrerer anderer Knoten ab. Das Auslesen des gesamten Zustands kann in der gleichen Weise wie oben beschrieben erfolgen.A Further possible use of the invention is exploitation the magnetic states. Data processing is complete generally in the use of magnetic states. The Whole modern data processing is still based on binary States, sometimes also more than two states be encoded. This is also the relevant limit conventional data processing. This is to be overcome by means of quantum computers become. States are entangled quantum mechanically, whereby much higher state densities are achieved. The However, the problem currently is that the life of the states, which are crossed, too small. This lifetime we are expressed by the so-called coherence time. in in all known cases, it was not more than a few milliseconds. By using topologically stable nodes the spin structure can in principle arbitrarily increase the lifetime because the states are characterized by their topological properties protected from decoherence phenomena. The material is prepared as described above, arranged and used. In particular, the togologically stable Node of the spin structure can be arranged so that it becomes a quantum mechanical Entanglement can come. This is for as possible compact spatial removal of the case. Advantageously its a distance smaller than the extent of the knot. An arrangement that is larger can also be advantageous is like the typical extent of the nodes. The nature of the condition of a node (ie orientation, chirality, position and Expansion) then hangs in the entangled state from the state of one or more other nodes. The reading of the entire state may be in the same manner as described above respectively.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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