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

The data processing device has a material (1) with homochiral magnetic component, where the material is arranged to form a crystalline structure. The crystalline structure either lacks an inversion symmetry, or has an interface when the inversion symmetry is present. A property of a topologically stable node of a spin structure (TK1 to TK7) of the material is changed for information storage and for processing information. Independent claims are also included for: (1) an information processing method; (2) a method for manufacturing a data processing device; and (3) an information reading device.

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 US 6834005 B1 , US 6898132 B2 und US 6920062 B2 beschrieben sind, wird die Packungsdichte durch eine dreidimensionale Anordnung von magnetischen Drähten erhöht. Um Zugriff auf die magnetischen Zustände zu ermöglichen werden die magnetisierten Zustände in Nanodrähten zur Informationsspeicherung mit einem elektrischen Strom verschoben. Allgemein wird hierbei und auch bei anderen Phänomenen ausgenutzt, dass die Domänenwände zwischen unterschiedlich magnetisierten Bereichen unter dem Einfluss von Spintorque (Spindrehmoment) verändert bzw. verschoben werden können. Ein wesentliches technisches Problem der Realisierung der Racetrack-Memories besteht darin, dass zur Verschiebung sehr hohe Ströme (typisch 1012 A/m2) benötigt werden. Dies führt zur Erwärmung und Instabilität der magnetischen Eigenschaften und steht einer weitergehenden Miniaturisierung allgemein entgegen. Im Übrigen ist das Auslesen der Informationen kompliziert und die Lage und Position von Domänenwänden schwer kontrollierbar. Eine besondere Rolle spielt hierbei das sogenannte ”Pinning”, wodurch Domänenwände an bestimmten Positionen festgehalten werden. Im Übrigen werden bei dieser Art der Speicher Wirbelstrukturen (Vortices) an Kreuzungspunkten von zwei oder mehr Domänenwänden dazu verwendet die Domänenwände zu stabilisieren, was aber nicht stabil genug ist.In the so-called Racetrack-Memories, which inter alia in US 6834005 B1 . US 6898132 B2 and US 6920062 B2 described, the packing density is increased by a three-dimensional arrangement of magnetic wires. To allow access to the magnetic states, the magnetized states in nanowires are stored with an electric current for information storage. In general, this and other phenomena are exploited in that the domain walls can be changed or shifted between differently magnetized areas under the influence of spintorque (spin torque). An essential technical problem of the realization of the racetrack memories is that very high currents (typically 10 12 A / m 2 ) are required for the displacement. This leads to heating and instability of the magnetic properties and is generally opposed to further miniaturization. Incidentally, the reading of the information is complicated and the position and position of domain walls difficult to control. A special role is played by the so-called "pinning", whereby domain walls are held in certain positions. Incidentally, in this type of memory, vortices at intersections of two or more domain walls are used to stabilize the domain walls, but this is not stable enough.

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

1 eine räumliche Darstellung der Spin-Anordnung topologischer Knoten in einem erfindungsgemäß präparierten Material zeigt, 1 3 shows a spatial representation of the spin arrangement of topological nodes in a material prepared according to the invention,

2 eine funktionell schematisierte Darstellung eines Informationsspeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, 2 shows a functionally schematic representation of an information storage according to an embodiment,

3 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, 3 a simplified representation of a further embodiment of the invention,

4 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, 4 a simplified representation of a further embodiment of the invention,

5 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, 5 a simplified representation of a further embodiment of the invention,

6 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, 6 a simplified representation of a further embodiment of the invention,

7 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, 7 a simplified representation of a further embodiment of the invention,

8 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, 8th a simplified representation of a further embodiment of the invention,

9 eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, 9 shows a simplified representation of an embodiment of the invention,

10 eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt, 10 a simplified representation of a further embodiment of the invention,

11 eine vereinfachte Darstellung eines Informationsspeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, 11 shows a simplified representation of an information store according to an embodiment,

12 eine vereinfachte Darstellung eines Informationsspeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, 12 shows a simplified representation of an information store according to an embodiment,

13 eine vereinfachte Darstellung eines Informationsspeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt, und 13 shows a simplified representation of an information store according to an embodiment, and

14 eine vereinfachte Darstellung eines Lesekopfs gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt. 14 a simplified representation of a read head according to an embodiment shows.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION THE EMBODIMENTS

1 zeigt eine räumliche Darstellung der Spin-Anordnung in einem erfindungsgemäßen Material 1. Es sind insgesamt sieben topologisch stabile Knoten der Spinstruktur TK1 bis TK7 dargestellt. Gemäß Aspekten der Erfindung werden die Eigenschaften des Zentrums Z eines Knotens ausgenutzt. Im Zentrum weisen die Spins in die Bildebene hinein, was durch einen Pfeil im Zentrum angedeutet ist. Das Zentrum Z des Knotens TK4 ist anschaulich nochmals vergrößert dargestellt. Der Ausschnitt kann Abmessungen L1, L2 zwischen einigen hundert Atomen bis zu einigen wenigen Atomen haben. Die Ausdehnung eines Wirbels (topologischen Knotens) hängt vom verwendeten Material und weiteren Bedingungen, wie mechanische oder elektrische Beeinflussung und magnetische Anisotropie ab. 1 shows a spatial representation of the Spin arrangement in a material according to the invention 1 , A total of seven topologically stable nodes of the spin structure TK1 to TK7 are shown. According to aspects of the invention, the properties of the center Z of a node are exploited. In the center, the spins point into the image plane, which is indicated by an arrow in the center. The center Z of the node TK4 is clearly shown enlarged again. The section may have dimensions L1, L2 between a few hundred atoms to a few atoms. The extent of a vortex (topological node) depends on the material used and other conditions, such as mechanical or electrical interference and magnetic anisotropy.

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 1 nur die oberste Lage dargestellt ist. Innerhalb des Zentrums weisen die Spins in etwa alle in die gleiche Richtung. Ob die Spins in die Bildebene hinein oder aus dieser heraus zeigen kann durch die Richtung eines äußeren Magnetfeldes gesteuert werden. Daher kann das Zentrum wie ein weicher Ferromagnet verwendet werden. Zusätzlich kann gesteuert werden, ob die Wirbelstrukturen (topologische Knoten) überhaupt auftreten. Hierzu werden nachfolgend einige Anwendungsbeispiele erläutert. Die topologischen Eigenschaften der Wirbelstrukturen (topologischen Knoten) verursachen ebenfalls einen Halleffekt (dieser wird als topologischer Hall-Effekt bezeichnet und unterscheidet sich vom normalen und anomalen Hall-Effekt), der ebenfalls ausgenutzt werden kann. Dabei sind vor allem die sehr geringen Abmessungen des Wirbelzentrums und die leichte Verschiebbarkeit und Änderbarkeit der Orientierung der topologischen Knoten vorteilhaft.Of the total of 230 space groups occurring in nature, materials from 65 space groups may exhibit the topologically stable nodes shown. A relevant example is the space group 620. Here, as a topologically stable structure, a vortex thread (skyrmion) emerges from the in 1 only the uppermost layer is shown. Within the center, the spins point roughly in the same direction. Whether the spins point in or out of the image plane can be controlled by the direction of an external magnetic field. Therefore, the center can be used like a soft ferromagnet. In addition, it is possible to control whether the vortex structures (topological nodes) actually occur. For this purpose, some application examples are explained below. The topological properties of the vortex structures (topological nodes) also cause a Hall effect (this is called a topological Hall effect and differs from the normal and anomalous Hall effect), which can also be exploited. Above all, the very small dimensions of the vortex center and the easy displaceability and changeability of the orientation of the topological nodes are advantageous.

2 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer Informationsspeicherzelle oder auch Informationssensorzelle (bspw. Lesekopf), in der der topologische Knoten der Spinstruktur erfindungsgemäß verwendet wird. Grundsätzlich können mindestens zwei Stimulationsarten eingesetzt werden. Das Ein- und Ausschalten des Knotens mittels eines ersten Stimulus ON/OFF. Die zweite Möglichkeit ist das Beschreiben mittels eines Stimulus IWRITS, sobald der Knoten eingeschaltet ist. Schließlich kann Information mittels IREAD ausgelesen werden, wobei hier entweder der Zustand des vorhandenen Zentrums des Knotens oder der Umstand, ob er existiert als Information ausgegeben werden kann. 2 shows a highly schematic representation of an information storage cell or information sensor cell (eg., Read head), in which the topological node of the spin structure is used according to the invention. Basically, at least two types of stimulation can be used. Turning the node on and off with a first ON / OFF stimulus. The second option is to write using an IWRITS stimulus as soon as the node is turned on. Finally, information can be read out by means of IREAD, in which case either the state of the existing center of the node or the circumstance whether it exists can be output as information.

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.

3 zeigt eine schematisierte Darstellung eines möglichen Aufbaus einer Informationsverarbeitungs- oder Speicherzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Schichtfolge umfasst eine Elektrode E1, einen elektrischen Isolator IS1, eine Materialschicht, welche die topologischen Knoten TK (mindestens einen) aufweist, eine weitere elektrische Isolatorschicht IS2 und eine zweite Elektrode E2. Die Elektrode E2 liegt der Elektrode E1 gegenüber. Die Elektroden E1, E2 dienen dazu, ein elektrisches Feld durch das erfindungsgemäße Material 1 (TK) aufzubauen. Dabei wird der Zustand oder die Existenz der topologisch stabilen Knoten (TK) mittels einer Spannung an den Elektroden gesteuert. So kann beispielsweise beim Anliegen einer bestimmten Spannung U1 die Materialschicht 1 so beeinflusst werden, dass sich mindestens ein topologisch stabiler Knoten bildet. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Existenz der topologischen Knoten durch inhärente Materialeigenschaften des Materials 1 bereitgestellt werden. Diesbezüglich kommen gezielte Verunreinigungen, Anisotropien oder auch mechanische Beeinflussungen (beispielsweise Verspannung der Materialschicht) in Betracht. Zum Schreiben oder Lesen von Informationen wird dann eine Eigenschaft des topologisch stabilen Knotens verwendet (bspw. Magnetisierungsrichtung, Ausdehnung, Lage, Existenz). Diese Eigenschaft wird zum Schreiben beispielsweise geändert und die Änderung wird anschließend ausgelesen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Schreiben von Information dadurch erfolgen, dass ein Knoten TK in dem Material 1 durch Anlegen eines Stromes verschoben wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann durch Anlegen einer Spannung die Bildung eines Gitters von topologischen Knoten gesteuert werden. Die Abmessungen des Isolators sind vorzugsweise sehr gering, sie betragen beispielsweise nur einige Nanometer oder weniger. Die Elektroden können ähnlich ausgeführt sein, wie die Elektroden handelsüblicher Transistoren. Insbesondere kommen diesbezüglich metallische Materialien, wie Aluminium in Betracht. 3 shows a schematic representation of a possible structure of an information processing or memory cell according to an embodiment of the invention. The layer sequence comprises an electrode E1, an electrical insulator IS1, a material layer comprising the topological nodes TK (at least one), a further electrical insulator layer IS2 and a second electrode E2. The electrode E2 is opposite to the electrode E1. The electrodes E1, E2 serve to generate an electric field through the material according to the invention 1 (TK) build up. In this case, the state or existence of the topologically stable nodes (TK) is controlled by means of a voltage at the electrodes. For example, when a specific voltage U1 is applied, the material layer can be 1 be influenced so that at least one topologically stable node is formed. In another embodiment, the existence of the topological nodes may be due to inherent material properties of the material 1 to be provided. In this regard, targeted impurities, anisotropies or even mechanical influences (for example, stressing of the material layer) come into consideration. For writing or reading information, a property of the topologically stable node is then used (for example magnetization direction, expansion, position, existence). For example, this property is changed for writing, and the change is then read out. In another embodiment, the writing of information may be accomplished by having a node TK in the material 1 is shifted by applying a current. In another embodiment, the formation of a grid may be controlled by topological nodes by applying a voltage. The dimensions of the insulator are preferably very small, for example, they are only a few nanometers or less. The electrodes may be made similar to the electrodes of commercially available transistors. In particular, metallic materials such as aluminum come into consideration in this regard.

4 zeigt ein weiteres vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier sind zwei Elektroden E1 und E2 vorgesehen, zwischen denen wiederum zwei Isolatorschichten IS1, IS2 und die Materialschicht 1 mit den topologisch stabilen Knoten TK vorgesehen ist. Zusätzlich ist eine Zwischenschicht IM vorgesehen, die sich in diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Materialschicht 1 mit den topologisch stabilen Knoten TK und dem Isolator IS2 befindet. Diese Zwischenschicht kann vorteilhaft dazu verwendet werden, um die Knoten TK in der Materialschicht 1 zu steuern und/oder stabilisieren. In einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Zwischenschicht IM aus einem Supraleiter oder supraleitenden Material bestehen. Gegebenenfalls kann diese auch nicht zentrosymmetrisch sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann es sich bei der Zwischenschicht IM um ein Metall handeln. Beispielsweise kommt hier wieder Aluminium in Betracht. In einem weiteren Ausführungsbeispiel könnte die Zwischenschicht IM auch zwischen dem Isolator IS1 und dem Material 1 mit den topologischen Knoten TK angeordnet sein. Für diese Anordnung wäre dann die Materialschicht 1 vorteilhaft in zwei Zwischenschichten IM eingebettet. Die Steuerung des Materials, also die Erzeugung oder Änderung von Eigenschaften der Knoten TK kann dann entweder mittels der Elektroden E1, E2 oder mittels der Zwischenschicht IM bzw. Zwischenschichten IM erfolgen. Insbesondere kommt hier eine Steuerung mittels eines elektrischen Feldes, eines Stromes oder einer feldinduzierten mechanischen Verspannung (durch die Elektroden E1, E2) und der Temperatur mittels der Zwischenschicht IM in Betracht. Die Zwischenschicht IM kann auch ein stromleitendes Material mit einem hohen spezifischen Widerstand sein, wodurch eine gezielte lokale Erwärmung des Materials 1 mit den topologischen Knoten erreicht wird. In dem zuletzt genannten Ausführungsbeispiel würde dann die Steuerung der Knoten aufgrund der Temperaturänderung erfolgen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die Grenzfläche zwischen der Zwischenschicht IM und der Schicht mit dem topologischen Knoten ursächlich für die Bildung der topologischen Knoten verantwortlich ist. 4 shows a further simplified embodiment of the invention. Again, two electrodes E1 and E2 are provided, between which in turn two insulator layers IS1, IS2 and the material layer 1 is provided with the topologically stable node TK. In addition, an intermediate layer IM is provided, which in this exemplary embodiment lies between the material layer 1 with the topologically stable node TK and the isolator IS2. This intermediate layer can be advantageously used to form the nodes TK in the material layer 1 to control and / or stabilize. In a first embodiment, the intermediate layer IM may consist of a superconductor or superconducting material. Optionally, this may not be centrosymmetric. In another embodiment, the intermediate layer IM may be a metal. For example, aluminum is considered here again. In a further embodiment, the intermediate layer IM could also be between the insulator IS1 and the material 1 be arranged with the topological node TK. For this arrangement then the material layer would be 1 advantageously embedded in two intermediate layers IM. The control of the material, ie the generation or modification of properties of the nodes TK can then take place either by means of the electrodes E1, E2 or by means of the intermediate layer IM or intermediate layers IM. In particular, control by means of an electric field, a current or a field-induced mechanical stress (through the electrodes E1, E2) and the temperature by means of the intermediate layer IM is considered here. The intermediate layer IM can also be an electrically conductive material with a high resistivity, whereby a targeted local heating of the material 1 achieved with the topological nodes. In the latter embodiment, the control of the nodes would then take place due to the change in temperature. Another important aspect is that the interface between the intermediate layer IM and the topological node layer is causally responsible for the formation of topological nodes.

5 zeigt eine vereinfachte schematisierte Darstellung einer weiteren möglichen Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Informationsspeicher- oder Informationsverarbeitungszelle. Hier sind nun die Elektroden E1 und E2 direkt auf das Material 1 mit den topologischen Knoten TK aufgebracht. Die Materialschicht 1 kann isolierend oder auch stromleitend ausgeführt sein. Insbesondere kann es sich bei der Materialschicht 1 auch um ein Material handeln, das so ausgeführt ist, dass es zusätzlich wie ein Tunnelelement eines GMR-Elementes wirkt. Zur Beeinflussung der Eigenschaften der Knoten kommen dann wahlweise Ströme I1, I2 von Elektrode E1 zur Elektrode E2 oder auch in umgekehrter Richtung in Betracht. Ebenfalls kann ein Strom I1 direkt durch das Material 1 geschickt werden, um beispielsweise die Knoten zu verschieben. Diese Anordnung kann im Rahmen eines Lesekopfes zum Abtasten feinster magnetischer Felder (beispielsweise bei Festplattenspeichern) ausgenutzt werden. Die Änderung der Eigenschaften des topologischen Knotens TK im Material 1 würde mit dem Stromfluss I2 zu I3 Wechselwirken. I1 und I2 können gleich große oder auch unterschiedlich große Ströme sein, je nachdem, wie die Eigenschaften des Knotens sind. Insbesondere kommen hier auch Anwendungen für Hall-Sensoren in Betracht. Dabei würden sich aufgrund des Stromflusses und der Eigenschaften des Materials 1 bzw. der dort angeordneten Knoten Spannungen senkrecht zum Stromfluss ausbilden können. Diese könnten wiederum ausgelesen bzw. weiterverarbeitet werden. 5 shows a simplified schematic representation of another possible embodiment of an information storage or information processing cell according to the invention. Here are now the electrodes E1 and E2 directly on the material 1 applied with the topological node TK. The material layer 1 can be insulating or electrically conductive. In particular, it may be in the material layer 1 also be a material designed to additionally act like a tunnel element of a GMR element. In order to influence the properties of the nodes then optionally currents I1, I2 of electrode E1 to the electrode E2 or in the reverse direction into consideration. Likewise, a current I1 can pass directly through the material 1 sent, for example, to move the nodes. This arrangement can be exploited in the context of a read head for scanning finest magnetic fields (for example in hard disk storage). The change of the properties of the topological node TK in the material 1 would interact with current flow I2 to I3. I1 and I2 can be the same size or different size, depending on the properties of the node. In particular, applications for Hall sensors are also considered here. This would be due to the current flow and the properties of the material 1 or the node arranged there can form voltages perpendicular to the current flow. These could in turn be read out or further processed.

6 zeigt eine weitere vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Hierbei handelt es sich um eine Anordnung, wie sie beispielsweise für Quantencomputer eingesetzt werden könnte. In diesem vereinfachten Beispiel sind lediglich acht Elektroden E1 bis E8 vorgesehen, die sich in zwei Gruppen von je vier Elektroden gegenüberliegen. Selbstverständlich kann dieses Prinzip auf beliebig viele Elektroden und Knoten TK erweitert werden. Zwischen den Elektroden E1 bis E4 und E5 bis E8 liegt jeweils ein Knoten TK1 bis TK4. Durch die Elektroden wird nun die Eigenschaft der Knoten gesteuert. Die Elektroden müssten dabei klein genug ausgeführt werden und nahe genug beieinander liegen um eine quantenmechanische Verschränkung zu ermöglichen. Die Materialschichten MS1 und MS2, die zwischen der Elektrodengruppe E5 bis E8 und den Knoten TK1 bis TK4 angeordnet sind, könnten vorzugsweise die Eigenschaften von GMR-Elementen im Zusammenspiel mit den Knoten TK1 bis TK4 übernehmen. 6 shows a further simplified illustration of an embodiment of the invention. This is an arrangement such as might be used for quantum computers. In this simplified example, only eight electrodes E1 to E8 are provided, which face each other in two groups of four electrodes each. Of course, this principle can be extended to any number of electrodes and nodes TK. Between the electrodes E1 to E4 and E5 to E8 is in each case a node TK1 to TK4. The electrodes now control the property of the nodes. The electrodes would have to be made small enough and close enough to each other to allow a quantum mechanical entanglement. The material layers MS1 and MS2, which are arranged between the electrode group E5 to E8 and the nodes TK1 to TK4, could preferably adopt the properties of GMR elements in interaction with the nodes TK1 to TK4.

7 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung. Hierbei handelt es sich um eine Anordnung, wie sie beispielsweise in einem Racetrack-Memory zum Einsatz kommen könnte. Das erfindungsgemäße Material 1 mit den topologisch stabilen Knoten wird dabei in einer dreidimensionalen Anordnung eingesetzt. Mittels eines Stromes I können die Knoten TK durch Material 1 (beispielsweise als Nanodraht) geschoben werden. Die Elektroden E1 und E2 dienen als Schreibelement, während die Elektroden E3 und E4 als Leseelement eingesetzt werden. Ähnlich wie zuvor bezüglich der anderen Ausführungsbeispiele beschrieben kann die Ausrichtung oder Existenz eines Knotens TK durch Anlegen einer Spannung über den Elektroden E1 und E2 im Schreibelement geändert und mittels der Elektroden E3 und E4 im Leseelement ausgelesen werden. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel können die Elektroden auch dazu verwendet werden, das sogenannte Pinning der topologischen Knoten herbeizuführen bzw zu kontrollieren. 7 shows a simplified illustration of another embodiment of the invention. This is an arrangement such as might be used in a racetrack memory. The material of the invention 1 with the topologically stable nodes is used in a three-dimensional arrangement. By means of a current I, the nodes TK by material 1 (For example, as a nanowire) are pushed. The electrodes E1 and E2 serve as a writing element, while the electrodes E3 and E4 are used as a reading element. As described above with respect to the other embodiments, the alignment or existence of a node TK can be changed by applying a voltage across the electrodes E1 and E2 in the write element and read out by means of the electrodes E3 and E4 in the read element. In a modified embodiment, the electrodes can also be used to bring about or control the so-called pinning of the topological nodes.

8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisierter Darstellung. Hierbei handelt es sich um eine Anordnung, die in der Art eines GMR-Elementes wirken kann und mehrere TK-Schichten TK1, FM, TK2, AFM aufweist. FM ist eine Schicht ferromagnetischen Materials und AFM ist eine Schicht antiferromagnetischen Materials. Insbesondere ist ein GMR Element um Schichten mit topologischen Knoten erweitert, um den Tunnelstrom zu beeinflussen und/oder die magnetischen Eigenschaften der FM bzw AFM Schicht elegant zu kontrollieren. 8th shows a further embodiment of the invention in a schematic representation. in this connection it is an arrangement that can act in the nature of a GMR element and has several TK layers TK1, FM, TK2, AFM. FM is a layer of ferromagnetic material and AFM is a layer of antiferromagnetic material. In particular, a GMR element is extended by layers with topological nodes to influence the tunneling current and / or to elegantly control the magnetic properties of the FM or AFM layer.

9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisierter Form. Das erfindungsgemäße Material 1 könnte hierbei isolierend sein (hier als Schichten TKIS1, TKIS2 dargestellt) und in einer Schichtfolge TKIS1, Metall, TKIS2 angeordnet sein. Die Anordnung könnte nach Art eines Transistors eingesetzt werden, wobei der Stromfluss durch eine metallische Schicht ME durch Steuerung der Materialschichten TKIS1, TKIS2 erfolgt. 9 shows a further embodiment of the invention in a schematic form. The material of the invention 1 this could be insulating (shown here as layers TKIS1, TKIS2) and arranged in a layer sequence TKIS1, metal, TKIS2. The arrangement could be used in the manner of a transistor, the current flowing through a metallic layer ME by controlling the material layers TKIS1, TKIS2.

10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Racetrack-Memories gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei werden Schichtfolgen des erfindungsgemäß präparierten und verwendeten Materials 1 und einer Schichtenfolge, die nach Art eines GMR-Elements wie es in 8 dargestellt ist angeordnet sind, verwendet. Diese sind zwischen den Elektroden E1 bis E4 und E5 bis E8 angeordnet, wobei sich jeweils zwei Elektroden paarweise gegenüberliegen. 10 shows another embodiment of a racetrack memory according to the present invention. Here are layer sequences of the invention prepared and used material 1 and a layer sequence similar to a GMR element as shown in FIG 8th is shown used. These are arranged between the electrodes E1 to E4 and E5 to E8, with two electrodes facing each other in pairs.

11 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Informationsspeichers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel betrifft die Ausgestaltung gemäß eines MRAM. Eine Schichtfolge des Materials 1, einer Isolationsschicht 2 und eines fest polarisierten Materials 3 sowie einer antiferromagnetischen Schicht 4 bildet gemeinsam eine Speicherzelle MZ. Diese wird unter Zuhilfenahme eines NMOS-Transistors NMOS1 beschrieben und gelesen. Der wesentliche Effekt besteht darin, dass die Magnetisierungsrichtung des Materials 1 (die durch einen Pfeil angedeutet ist) sehr leicht durch ein äußeres Feld geändert werden kann. Wenn die Schichten 1 und 3 in die gleiche Richtung magnetisiert sind, ist der Widerstand der Speicherzelle MZ gering. Bei entgegen gesetzter Magnetisierung (wie in 10 dargestellt) ist der Widerstand entsprechend hoch. Auf diese Art und Weise lassen sich binäre Informationen permanent speichern. Hierzu ist eine Bitleitung BL, eine Wortleitung zum Schreiben WWL und eine Wortleitung zum Lesen RWL vorgesehen. Die Leitungen BL, WWL und RWL sind aus Metall ausgeführt, ebenso die Kontaktierung 5 zwischen Schicht 4 und Drain- bzw. Source-Kontakt des NMOS-Transistors NMOS1. Der Transistor wird durch Anlegen einer positiven Spannung an der Leseleitung RWL eingeschaltet. Der Spannungsabfall über der Speicherzelle MZ zeigt die gespeicherten Informationen an. Zum Schreiben wird die Wortleitung WWL verwendet und auf ein erhöhtes Potential gelegt. Durch einen Stromfluss in der Bitleitung kann dann die Polarisierung des erfindungsgemäß präparierten und verwendeten Materials 1 geändert werden. 11 shows a simplified representation of an information storage according to another embodiment. This embodiment relates to the embodiment according to an MRAM. A sequence of layers of the material 1 , an insulation layer 2 and a solid polarized material 3 and an antiferromagnetic layer 4 together forms a memory cell MZ. This is described and read with the aid of an NMOS transistor NMOS1. The essential effect is that the magnetization direction of the material 1 (which is indicated by an arrow) can be easily changed by an external field. When the layers 1 and 3 are magnetized in the same direction, the resistance of the memory cell MZ is low. With opposite magnetization (as in 10 shown), the resistance is correspondingly high. In this way, binary information can be stored permanently. For this purpose, a bit line BL, a word line for writing WWL and a word line for reading RWL are provided. The cables BL, WWL and RWL are made of metal, as well as the contact 5 between layer 4 and drain or source contact of the NMOS transistor NMOS1. The transistor is turned on by applying a positive voltage to the read line RWL. The voltage drop across the memory cell MZ indicates the stored information. For writing, the word line WWL is used and set to an increased potential. By a current flow in the bit line can then be the polarization of the invention prepared and used material 1 be changed.

12 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Informationsspeichers gemäß einem Ausführungsbeispiel, Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Ausgestaltung als Racetrack-Memory. Eine Speicherleitung LM weist lokale Speicherbereiche S1, S2,.., SY, SX,..,SN auf. Diese können durch eine Schreibvorrichtung W in ihrer Magnetisierungsrichtung geändert werden. In einer Lesevorrichtung R werden die Informationen ausgelesen. Entscheidend ist, dass die Bereiche S1, S2,.., SY, SX,..,SN mittels eines Stroms I1 (Strompuls) durch den Leitungsspeicher LM geschoben werden können. Im Unterschied zu herkömmlichen Racetrack-Memorys kann bei erfindungsgemäßer Verwendung des erfindungsgemäß präparierten Materials 1 für den Leitungsspeicher LM eine Verschiebung bereits mit sehr geringen Strompulsen erfolgen. Ebenso kann das Beschreiben, also die Richtungsänderung der Wirbelstrukturen in den Bereichen S1, S2,.., SY, SX,..,SN ohne große Ströme I2 geändert werden. So kann lediglich ein geringer Strom durch den Leiter L1 geschickt werden, um eine Umprogrammierung vorzunehmen. Entsprechend sind beispielhaft die Bereiche SY und SX hervorgehoben, die eine unterschiedliche Richtung der Magnetisierung aufweisen (durch Schraffierung deutlich gemacht). Das Auslesen kann in der Schreibvorrichtung R durch Ausnutzen des Tunneleffekts erfolgen. Hierzu werden eine vormagnetisierte Schicht und eine Isolationsschicht angebracht. Dann wird ein Strom durch den Leiter L2 geschickt und über den Leiter LM ausgelesen. Wenn eine vormagnetisierte Schicht in die gleiche Richtung wie der auszulesende Bereich SR aufweist, dann steht nur ein geringer Widerstand. Bei umgekehrter Magnetisierungsrichtung ist der Widerstand hoch. 12 shows a simplified representation of an information memory according to an embodiment, this embodiment relates to an embodiment as Racetrack memory. A memory line LM has local memory areas S1, S2, .., SY, SX, .., SN. These can be changed by a writing device W in its magnetization direction. In a reading device R, the information is read out. It is crucial that the areas S1, S2, .., SY, SX, .., SN can be pushed by means of a current I1 (current pulse) through the line memory LM. In contrast to conventional racetrack memories, when using the material prepared according to the invention according to the invention 1 for the line memory LM a shift already done with very small current pulses. Likewise, the description, ie the change in direction of the vortex structures in the areas S1, S2, .., SY, SX, .., SN can be changed without large currents I2. So only a small current can be sent through the conductor L1 to make a reprogramming. Accordingly, by way of example, the regions SY and SX are highlighted, which have a different direction of magnetization (made clear by hatching). The reading can be done in the writing device R by taking advantage of the tunnel effect. For this purpose, a pre-magnetized layer and an insulating layer are attached. Then, a current is sent through the conductor L2 and read out via the conductor LM. If a biased layer is in the same direction as the region SR to be read, then there is little resistance. In the reverse magnetization direction, the resistance is high.

13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Informationsspeichers gemäß der vorliegenden Erfindung. Die in 13 gezeigte Anordnung betrifft eine vereinfachte Ausgestaltung eines Kernspeichers. Die Speicherzelle MZ weist wiederum drei Schichten aus dem erfindungsgemäß präparierten Material 1, einer isolierenden Schicht 2 und einem vormagnetisierten Material 3 mit fester Polarisierung auf. Die Leitungen L1 und L2 liegen senkrecht zueinander auf der Oberseite und der Unterseite der Speicherzelle MZ. Die Leiter werden mit einem Potential VY und einem Strom IV bzw. einem Strom IX und einer Spannung VX beaufschlagt. Aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen den Leitern L1 und L2 kann eine Ummagnetisierung der Schicht mit dem Material 1 erfolgen. Zum Auslesen der Information (ähnlich wie zuvor zu Racetrack für das Ausführungsbeispiel gemäß 12 beschrieben) wird ein Strom IX durch den Leiter L2 gegeben und über den Leiter L1 gemessen. 13 shows another embodiment of an information store according to the present invention. In the 13 The arrangement shown relates to a simplified embodiment of a core memory. The memory cell MZ in turn has three layers of the material prepared according to the invention 1 , an insulating layer 2 and a premagnetized material 3 with fixed polarization. The lines L1 and L2 are perpendicular to each other on the top and bottom of the memory cell MZ. The conductors are supplied with a potential VY and a current IV or a current IX and a voltage VX. Due to a potential difference between the conductors L1 and L2, a remagnetization of the layer with the material 1 respectively. To read the information (similar to Racetrack before for the execution example according to 12 described), a current IX is given by the conductor L2 and measured via the conductor L1.

14 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schreib-/Lesekopfs einer Festplatte gemäß Aspekten der Erfindung. Bei Festplatten dreht sich eine Scheibe DISK mit magnetisierbaren Bereichen (Bits B). Der Schreib-/Lesekopf manipuliert zum Schreiben die Magnetisierungsrichtung der Bits B. Zum Lesen muss die Magnetisierungsrichtung vom Schreib-/Lesekopf abgetastet werden. Hierbei wird in herkömmlichen Schreib-/Leseköpfen der sogenannte Riesenmagnetwiderstandseffekt (GMR) ausgenutzt. Nach dem Erfinder dieser Technik werden diese Schreib-/Leseköpfe auch als Grünberg-Schreib-/Leseköpfe bezeichnet. Der Kopf besitzt drei Schichten, von denen eine leicht magnetisierbar, eine Zwischenschicht isolierend und dritte Schicht hartmagnetisch ist. Die leicht magnetisierbare Schicht wird von den vorbeiziehenden Bits fortlaufend wechselnd magnetisiert wodurch sich der Widerstand der Schichtenfolge ändert. Diese Widerstandänderung wird ausgewertet. 14 shows an embodiment of a read / write head of a hard disk according to aspects of the invention. For hard drives, a disc DISK rotates with magnetizable areas (bits B). The read / write head manipulates the direction of magnetization of bits B for writing. For reading, the magnetization direction must be scanned by the read / write head. In this case, the so-called giant magnetoresistance effect (GMR) is utilized in conventional read / write heads. According to the inventor of this technique, these read / write heads are also referred to as Grünberg read / write heads. The head has three layers, one of which is easily magnetizable, one intermediate layer insulating and the third layer is hard magnetic. The easily magnetizable layer is continuously magnetized alternately by the passing bits, which changes the resistance of the layer sequence. This resistance change is evaluated.

Ein Schreib-/Lesekopf gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung benötigt nur noch eine Schicht bzw. ein Material 1, dass die in 1 gezeigten Wirbelstrukturen aufweist. Aufgrund der topologischen Eigenschaft der Wirbel wird bei sehr kleinen Abmessungen eine vergleichsweise große Hallspannung erzeugt. Außerdem lassen sich die Wirbelzentren leicht in ihrer Magnetisierungsrichtung ändern. Durch die Elektroden E1 und E2 könnte also ein sehr geringer Strom durch das Material 1 geschickt werden. Elektroden E3 und E4 die seitlich des Materials angeordnet sind, können dann je nach Magnetisierungs richtung des Materials 1 eine entsprechende Hallspannung abgreifen, die dann ausgewertet wird. Die Abmessungen des Materials 1 sind dabei außerordentlich gering und umfassen nur wenige Atomlagen. Dadurch bildet sich lediglich ein einziges Wirbelzentrum Z gemäß 1 aus.A read / write head according to the present embodiment of the invention requires only one layer or a material 1 that in 1 having shown vortex structures. Due to the topological property of the vortex, a comparatively large Hall voltage is generated at very small dimensions. In addition, the vortex centers can be easily changed in their magnetization direction. By the electrodes E1 and E2 so could a very low current through the material 1 sent. Electrodes E3 and E4 which are arranged laterally of the material can then depending on the direction of magnetization of the material 1 pick up a corresponding Hall voltage, which is then evaluated. The dimensions of the material 1 are extremely small and contain only a few atomic layers. As a result, only a single vortex center Z is formed according to FIG 1 out.

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.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 6834005 B1 [0011] US 6834005 B1 [0011]
  • - US 6898132 B2 [0011] US 6898132 B2 [0011]
  • - US 6920062 B2 [0011] US 6920062 B2 [0011]

Claims (10)

Datenverarbeitungsvorrichtung umfassend: ein Material mit homochiraler magnetischer Komponente, wobei das Material ausgestaltet ist, um eine Kristallstruktur aufzuweisen, der entweder eine Inversionssymmetrie fehlt, oder bei vorhandener Inversionssymmetrie eine Grenzfläche aufzuweisen, derart dass eine Eigenschaft eines topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur des Materials zur Informationsspeicherung und/oder zur Informationsverarbeitung veränderbar ist.Data processing apparatus comprising: one Material with homochiral magnetic component, wherein the material is designed to have a crystal structure that either an inversion symmetry is absent, or with inversion symmetry present to have an interface such that a property a topologically stable node of the spin structure of the material for information storage and / or information processing is changeable. Datenverarbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei dem Material die Inversionssymmetrie, zumindest einer lokalen Atom- oder Molekülgruppe, fehlt.Data processing device according to one of the preceding Claims, wherein the material is the inversion symmetry, at least one local atomic or molecular group is missing. Datenverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Material eine Verbindung aus Elementen der Übergangsmetalle wie Eisen, Kobalt oder Mangan mit Elementen wie Silizium, Germanium oder Aluminium aufweist.Data processing device according to claim 1 or 2, wherein the material is a compound of elements of the transition metals such as iron, cobalt or manganese with elements such as silicon, germanium or aluminum. Datenverarbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material Elemente der seltenen Erden und/oder eine stöchiometrische Verbindung wie Mangansilizium (MnSi), oder eine Mischverbindung oder ein dotiertes Material wie Fe1-xCoxSi, FeSi1-xGex aufweist.A data processing apparatus according to any preceding claim, wherein the material comprises rare earth elements and / or a stoichiometric compound such as manganese silicon (MnSi), or a mixed compound or doped material such as Fe 1-x Co x Si, FeSi 1-x Ge x . Datenverarbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material in einer Schicht angeordnet ist, deren Stärke etwa eine Atomlage ist.Data processing device according to one of the preceding Claims wherein the material is arranged in a layer whose strength is about one atomic layer. Verfahren zur Verarbeitung von Information umfassend: Veränderung einer Eigenschaft eines Materials mit homochiraler magnetischer Ordnung, wobei das Material eine Kristallstruktur aufweist, dem entweder ein Inversionszentrum fehlt, oder das Material eine Grenzfläche oder eine dünne Schicht aufweist, wobei die veränderte Eigenschaft des Materials eine Eigenschaft eines topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur des Materials betrifft.A method of processing information comprising: change a property of a material with homochiral magnetic Order, wherein the material has a crystal structure, the either an inversion center is missing, or the material has an interface or a thin layer, wherein the altered Property of the material a property of a topologically stable Knotens the spin structure of the material. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verändern entweder durch Anlegen eines Magnetfelds, eines elektrischen Feldes, eines Wechselfeldes, eines elektrischen Stroms oder durch Erzeugen einer mechanischen Verspannung oder eine Kombination dieser Maßnahmen erfolgt.The method of claim 6, wherein changing either by applying a magnetic field, an electric field, an alternating field, an electric current or by generating a mechanical tension or a combination of these measures he follows. Verfahren zur Herstellung einer Datenverarbeitungsvorrichtung, wobei ein Material zur Speicherung von Information in der Datenverarbeitungsvorrichtung angeordnet wird, und einer Kristallstruktur des Materials ein Inversionszentrum fehlt oder das Material in einer dünnen Schicht angeordnet wird, oder eine Grenzfläche aufweist, und eine Anordnung vorgesehen ist, die eingerichtet ist, um eine Eigenschaft eines topologisch stabilen Knotens der Spinstruktur in dem Material zur Datenverarbeitung zu verändern.Method of manufacturing a data processing device, wherein a material for storing information in the data processing device and a crystal structure of the material is an inversion center missing or the material is arranged in a thin layer is or has an interface, and an arrangement is provided that is set up to be a property of a topological stable node of the spin structure in the data processing material to change. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur durch Unordnung von einigen parts per million (ppm) stabilisiert werden.The method of claim 8, wherein the topological stable node of the spin structure due to disorder of some parts be stabilized per million (ppm). Vorrichtung zum Lesen von Information, welche einen Lesekopf umfasst, in dem ein Material angeordnet ist, dem ein Inversionszentrum fehlt oder das in der dünnen Schicht angeordnet ist, um eine Grenzfläche aufzuweisen, und die Anordnung ausgestaltet ist, um in dem Material mindestens einen topologisch stabilen Knoten der Spinstruktur zu bilden und ein von diesem topologischen Knoten verursachter Hall-Effekt zum Bestimmen der Orientierung eines äußeren Magnetfeldes verwendet wird.Device for reading information, which has a Includes reading head, in which a material is arranged, which is an inversion center missing or that is arranged in the thin layer to to have an interface, and the arrangement designed is to have at least one topologically stable node in the material to form the spin structure and one of this topological node caused Hall effect to determine the orientation of an outer Magnetic field is used.
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