DE102021107403B3

DE102021107403B3 - Verfahren und Datenspeicher zum Speichern von Daten in Form von Skyrmionen und Antiskyrmionen

Info

Publication number: DE102021107403B3
Application number: DE102021107403.7A
Authority: DE
Inventors: Pia Siegl; Martin Stier; Michael Thorwart; Elena Vedmedenko
Original assignee: Universitaet Hamburg
Current assignee: Universitaet Hamburg
Priority date: 2021-03-24
Filing date: 2021-03-24
Publication date: 2022-07-14
Anticipated expiration: 2041-03-25
Also published as: WO2022200435A1

Abstract

Verfahren zum Speichern von Daten in Form von Skyrmionen und Antiskyrmionen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:• Bereitstellen eines Streifens aus einem ferromagnetischen Material, das eine anisotrope Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung aufweist,• Schreiben eines Skyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens in einer ersten Rotationsrichtung und• Schreiben eines Antiskyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens in einer zweiten Rotationsrichtung, die der ersten Rotationsrichtung entgegengesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Daten in Form von Skyrmionen und Antiskyrmionen sowie einen Datenspeicher, der das Verfahren ausführt.
Skyrmionen und Antiskyrmionen sind magnetische Strukturen, die sich in vielerlei Hinsicht wie Teilchen verhalten. Sie werden daher als magnetische Quasiteilchen bezeichnet. Bei Skyrmionen und Antiskyrmionen weist die Magnetisierung in der Mitte und an einem äußeren Rand in entgegengesetzte Richtungen. Skyrmionen und Antiskyrmionen besitzen eine endliche topologische Gesamtladung mit unterschiedlichen Vorzeichen. Befinden sich beide Typen im gleichen Material, d.h. dem gleichen ferromagnetischen Hintergrund, ist eine Realisierung entgegengesetzter Ladungen nur über eine entgegengesetzte Vortizität zu erreichen. Die Vortizität beschreibt dabei, auf welche Art sich die Magnetisierungsrichtung des Skyrmions bzw. Antiskyrmions um das Zentrum dreht. Bei Skyrmionen vollzieht die Magnetisierung zwischen Rand und Zentrum einen isotropen Übergang, der zwei unterschiedliche Konfigurationen aufweisen kann. Es gibt daher zwei Typen von Skyrmionen, die abhängig von der Konfiguration der Magnetisierung als Bloch-Skyrmionen und als Neel-Skyrmionen bezeichnet werden. Bei Antiskyrmionen ist der Übergang zwischen den beiden Richtungen der Magnetisierung nicht isotrop. Entlang einer Richtung gleicht die magnetische Konfiguration der eines Bloch-Skyrmions, entlang einer dazu orthogonalen Richtung der eines Neel-Skyrmions. Antiskyrmionen können daher als Überlagerung von Bloch- und Neel-Konfiguration aufgefasst werden. Antiskyrmionen sind die Antiteilchen der Skyrmionen.
Das effektive Speichern größerer Mengen an Informationen stellt die Informationstechnologie vor verschiedene Herausforderungen. Zum einen sollen die Datenträger dauerhaft und günstig zu produzieren sein, zum anderen schnell und energieeffizient.
Während die ersten beiden Punkte durch klassische Magnetspeicher („Festplatten“) erfüllt werden, treffen die anderen eher auf elektronische Speicher („RAM“, „Flashspeicher“) zu. Bei einer Vereinigung der magnetischen und elektronischen Prinzipien spricht man von „Spintronics“, welche im günstigsten Fall die Vorteile beider Welten vereinen. Hinzu kommen noch neuartige Architekturen, die sich vom zweidimensionalen Aufbau verabschieden und durch den Schritt in die dritte Dimension die Speicherdichte erheblich erhöhen können.
Eine dieser neuen Architekturen ist der sogenannte Racetrack-Speicher, bei dem magnetische Strukturen mittels eines elektrischen Stroms durch einen Draht geschoben werden. Als magnetische Strukturen werden häufig Domänenwände verwendet. Beispiele solcher Racetrack-Speicher sind aus den Druckschriften US 6 834 005 B1 , US 6 898 132 B2 , US 6 920 062 B2 und US 2005/0094427 A1 bekannt geworden. Einen Überblick vermittelt der Review-Artikel „Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory“ von Stuart S. P. Parkin et al, Science, 320(5873): 190-194, 2008.
Wie sich herausgestellt hat, können die magnetischen Domänenwände bei ihrer Bewegung durch den Draht dazu neigen, an den Rändern des Drahtes „kleben zu bleiben“. Daher wurde vorgeschlagen, statt magnetischer Domänenwände Skyrmionen zu verwenden. Hiermit beschäftigt sich der Artikel „A strategy for the design of skyrmion racetrack memories“ von R. Tomasello et al., Scientific Reports, 4(1):6784, Oktober 2014. Skyrmionen sind kleine, wirbelartige magnetische Strukturen, die gegenüber Materialrauigkeiten wesentlich resistenter sind als Domänenwände und sich daher leichter durch einen Draht bewegen. Sie sind typischerweise auch deutlich kleiner als die magnetischen Domänen, was eine höhere Speicherdichte begünstigt. Zur Speicherung der Informationen ist vorgeschlagen worden, die Anwesenheit eines Skyrmions in einem Racetrack zum Beispiel als „1“ und die Abwesenheit eines Skyrmions als „0“ zu interpretieren. Dieses einfache Konzept beinhaltet allerdings erhebliche Schwierigkeiten, denn es erfordert, die Skyrmionen immer in einem definierten Abstand voneinander zu halten. Dies ist in der Praxis schwer umzusetzen.
Aus der Druckschrift CN 108492845 A ist ein ebenfalls auf magnetischen Skyrmionen beruhender Racetrack-Speicher bekannt geworden, bei dem Skyrmionen mit entgegengesetzten Polaritäten die beiden logischen Zustände 0 und 1 repräsentieren. Die Skyrmionen bewegen sich auf zwei parallel laufenden Bahnen mit unterschiedlichem ferromagnetischem Hintergrund. Auf jeder Bahn kann ein Skyrmion einer bestimmten Polarität stabilisiert werden und durch einen Transversalstrom zwischen den Bahnen verschoben werden.
Aus der Druckschrift WO 2017/151735 A1 ist ein Speicherelement bekannt geworden, bei dem ein Dünnschichtsystem als Schalter zwischen zwei Skyrmionen unterschiedlicher Polarität dienen kann. Für den Umschaltvorgang kann ein elektrisches Feld verwendet werden.
Aus der Presseveröffentlichung „Magnetic whirls in future data storage devices“ der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg vom 3. März 2020, abgerufen am 10. November 2020 unter der URL „https://phys.org/news/2020-03-Magnetic-Future-Storage-Devices.html“ ist bekannt geworden, statt Skyrmionen unterschiedlicher Polarität Skyrmionen und Antiskyrmionen zur Repräsentation der beiden logischen Zustände zu verwenden.
Aus der Veröffentlichung „Rotating edge-field driven processing of chiral spin textures in racetrack devices“ von Alexander F. Schäffer et al., Sci. Rep 10, 20400 (2020) ist bekannt geworden, dass in einem Streifen aus einem magnetischen Material Domänenwände und Skyrmionen erzeugt werden können, indem die Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens rotiert wird.
In der Veröffentlichung „Antiskyrmions stabilized at interfaces by anisotropic Dzyaloshinskii-Moriya interactions“ von Markus Hoffmann et al., Nature Communications, 2017, 8. Jg., Nr. 1, S. 1-9, werden Kriterien für das Auftreten und für eine Koexistenz von Skyrmionen und Antiskyrmionen abgeleitet.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Speichern von Daten und einen Datenspeicher zur Verfügung zu stellen, bei dem die Daten in Form von Skyrmionen und Antiskyrmionen gespeichert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zum Speichern von Daten in Form von Skyrmionen und Antiskyrmionen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch den Datenspeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den sich jeweils anschließenden Unteransprüchen angegeben.
Das Verfahren dient zum Speichern von Daten in Form von Skyrmionen und Antiskyrmionen und weist die folgenden Schritte auf:

• Bereitstellen eines Streifens aus einem ferromagnetischen Material, das eine anisotrope Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung aufweist,
• Schreiben eines Skyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens in einer ersten Rotationsrichtung und
• Schreiben eines Antiskyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens in einer zweiten Rotationsrichtung, die der ersten Rotationsrichtung entgegengesetzt ist.

Der Streifen kann auf ein geeignetes Trägermaterial aufgebracht sein. Er weist eine Dicke auf, die relativ zu seiner Breite und relativ zu seiner Länge gering ist. Sie kann beispielsweise eine Atomlage oder wenige Atomlagen betragen. Die Abmessungen des Streifens senkrecht zu seiner Dicke, also in Richtung seiner Länge (nachfolgend auch als x-Richtung bezeichnet) und in Richtung seiner Breite (nachfolgend auch als y-Richtung bezeichnet), können im Prinzip beliebig gewählt werden, wobei die Länge in der Regel größer ist als die Breite. Insbesondere kann die Breite des Streifens an die Abmessungen der Skyrmionen und Antiskyrmionen derart angepasst werden, dass in Breitenrichtung genau ein Skyrmion bzw. genau ein Antiskyrmion Platz hat. Das magnetische Material ist so beschaffen, dass in dem Streifen sowohl Skyrmionen als auch Antiskyrmionen einen stabilen Zustand darstellen.
Der Streifen kann insbesondere aus einer Schicht oder aus mehreren Schichten bestehen, zum Beispiel in Form eines Dünnschichtsystems. Es versteht sich, dass die Eigenschaften des Streifens, insbesondere die anisotrope Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung, gegebenenfalls vom Zusammenwirken mehrerer Schichten und/oder vom Zusammenwirken des Streifens mit einem Trägermaterial beeinflusst sind und/oder erst durch ein solches Zusammenwirken zustande kommen.
Hierfür kommt es auf das Zusammenspiel mehrerer Wechselwirkungsparameter des Materials an, insbesondere auf die Austauschwechselwirkung, die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung und die magnetische Anisotropie. Auch die Anwesenheit eines externen magnetischen Felds und die Temperatur spielen eine Rolle. Die Erfinder haben erkannt, dass in einem ferromagnetischen Material mit einer anisotropen Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung Skyrmionen und Antiskyrmionen koexistieren können. Abhängig von der konkreten Situation kann es hierfür erforderlich sein, die Abmessungen des Streifens, insbesondere die Schichtdicke geeignet zu wählen und/oder unterschiedliche Materialien zu kombinieren, gegebenenfalls auch in Form einer Dotierung.
Weiter haben die Erfinder erkannt, dass in einem Streifen aus einem ferromagnetischen Material mit anisotroper Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung sowohl Skyrmionen als auch Antiskyrmionen dadurch erzeugt werden können, dass die Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens rotiert wird. Bei einer Rotation der Magnetisierung in einer ersten Rotationsrichtung entsteht ein Skyrmion, bei einer Rotation in entgegengesetzter Richtung entsteht ein Antiskyrmion. In welcher Richtung die Rotation ausgeführt wird und wie die Rotationsachse ausgerichtet ist, kann in Abhängigkeit von der Anisotropie der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung gewählt werden. Beispiele werden nachfolgend noch beschrieben.
Das Rotieren der Magnetisierung in der ersten Rotationsrichtung und/oder in der zweiten Rotationsrichtung kann insbesondere um jeweils eine ganze Umdrehung, d.h. um 360°, erfolgen. Die Magnetisierung in dem Randabschnitt befindet sich demnach vor und nach dem jeweiligen Schreibvorgang im Wesentlichen in demselben Zustand. Die Rotation kann mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit, aber auch schrittweise, erfolgen.
Das bei dem Schreibvorgang erzeugte Quasiteilchen (je nach Rotationsrichtung ein Skyrmion oder ein Antiskyrmion) befindet sich nach dem Schreibvorgang an einer Position des Streifens, die dem Randabschnitt benachbart ist. Insbesondere hat sich das betreffende Quasiteilchen am Ende der Rotation der Magnetisierung ganz oder teilweise von dem Randabschnitt gelöst. Es kann sich in seitlicher Richtung von dem Randabschnitt entfernen, insbesondere bis es sich in einer bezogen auf die Breitenrichtung des Streifens etwa mittigen Position in dem Streifen befindet.
Das beanspruchte Verfahren bietet erstmals eine praktikable Möglichkeit, sowohl Skyrmionen als auch Antiskyrmionen im selben Material gezielt zu schreiben und als insbesondere bewegliche Informationsträger zu verwenden.
Um die Magnetisierung in dem Randabschnitt zu rotieren, kann ein zeitlich veränderliches (effektives) magnetisches Feld erzeugt werden, das auf den Randabschnitt einwirkt. Die Wirkung dieses magnetischen Felds kann auf den Randabschnitt konzentriert sein, sodass die Magnetisierung in dem Streifen in einem Abstand von dem Randabschnitt nicht unmittelbar beeinflusst wird. Die Größe des Randabschnitts, in dem die Magnetisierung durch das einwirkende magnetische Feld rotiert wird, kann sehr klein sein. Beispielsweise kann eine Länge des Randabschnitts an eine mittlere Ausdehnung eines Quasiteilchens angepasst sein, d.h. zum Beispiel eine Größenordnung von etwa 10 nm aufweisen. Quer zu der Längsrichtung des Randabschnitts kann der Randabschnitt noch kleinere Abmessungen aufweisen, entsprechend einer oder weniger Gitterkonstanten des Materials.
Um die Magnetisierung in dem Randabschnitt zu rotieren, können unterschiedliche technische Lösungen implementiert werden. Beispielsweise können wie in einer sogenannten Toggle MRAM-Vorrichtung zwei stromleitende Drähte kombiniert werden, wie in dem Artikel „A 4-Mb 0.18-/spl mu/m 1T1MTJ toggle MRAM with balanced three input sensing scheme and locally mirrored unidirectional write drivers“ von T. W. Andre et al., IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 40, no. 1, pp. 301-309, Jan. 2005 beschrieben. Die beiden stromdurchflossenen Drähte werden in einem 90°-Winkel zueinander in unmittelbarer Nähe des Randabschnitts angeordnet. Durch entsprechende Bestromung der beiden Drähte kann die Magnetisierung in dem Randabschnitt in 45°-Schritten gedreht werden.
Eine Alternative zur Erzeugung der Rotation der Magnetisierung in dem Randabschnitt besteht in der Verwendung einer weiteren magnetischen Schicht, die durch einen nicht-magnetischen Spacer von dem Streifen getrennt ist. Beispielsweise kann die weitere magnetische Schicht einen quer zu dem Streifen verlaufenden, weiteren Streifen aufweisen, durch den eine magnetische Domänenwand hindurch bewegt wird, wie an sich bekannt durch Anlegen eines Stroms. Durch geeignete Strukturierung kann die Anordnung so ausgestaltet werden, dass das von der wandernden magnetischen Domänenwand ausgebildete effektive magnetische Feld im Wesentlichen auf den Randabschnitt des Streifens einwirkt. Diese Lösung beruht auf der sogenannten Interlagen-Austauschwechselwirkung (Interlayer Exchange Coupling); die Gegenstand der Veröffentlichung „Tuning der Properties auf Zero-Field Room Temperature Ferromagnetic Skyrmions by Interlayer Exchange Coupling“ von Lo Conte, R. et al., Nano Letters, pp. 4739-4747ist.
Weitere Lösungsansätze zur Erzeugung der rotierenden Magnetisierung in dem Randabschnitt sind in der eingangs diskutierten Veröffentlichung von Alexander F. Schäffer et al. beschrieben.
In einer Ausgestaltung weist die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung des ferromagnetischen Materials eine Komponente Dx, die die Größe der Wechselwirkung in einer Längsrichtung des Streifens beschreibt, und eine Komponente Dy, die die Größe der Wechselwirkung in einer Breitenrichtung des Streifens beschreibt, auf, wobei der Betrag des Verhältnisses Dy/Dx kleiner als 1 ist. Bei dieser speziellen Ausprägung der Anisotropie der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung gelingt das Schreiben und Stabilisieren von Skyrmionen und Antiskyrmionen in der beschriebenen Weise besonders zuverlässig, weil die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung dann in Richtung der stärkeren räumlichen Beschränkung (englisch: confinement) des Quasiteilchens, nämlich in Richtung der Breite des Streifens (y-Richtung), schwächer ausgeprägt ist. Genauer kann der Betrag des Verhältnisses Dy/Dx kleiner als eine materialabhängige Konstante sein, z.B. kleiner als 0,8 oder, wie für einige untersuchte Materialien ermittelt, kleiner als 0,6. Die Konstante kann auch von den äußeren Randbedingungen beeinflusst sein, insbesondere von einem externen Magnetfeld.
In einer Ausgestaltung erfolgt das Rotieren der Magnetisierung um eine Rotationsachse, die parallel zu einer Längsrichtung des Randabschnitts ausgerichtet ist. Dies ist für die Erzeugung des jeweiligen Quasiteilchen und dessen Anordnung in dem Streifen besonders vorteilhaft.
In einer Ausgestaltung ist der Randabschnitt ein seitlicher Randabschnitt, der an einer Längskante des Streifens angeordnet ist. Grundsätzlich kann zum Schreiben der Skyrmionen und Antiskyrmionen ein beliebiger Randabschnitt des Streifens gewählt werden. Befindet er sich an einer Längskante des Streifens, entstehen die Quasiteilchen bei geeigneter Dimensionierung des Streifens etwa in einem mittleren Abschnitt (bezogen auf die Breitenrichtung) des Streifens. Dies ist für die Anwendung in einem Racetrack-Speicher (siehe unten) besonders günstig.
In einer Ausgestaltung wird das Rotieren einer Magnetisierung in unterschiedlichen Randabschnitten des Streifens vorgenommen, sodass mehrere Schreibvorgänge parallel ausgeführt werden. Die Geschwindigkeit, mit der größere Datenmengen geschrieben werden können, kann dadurch erhöht und insbesondere an die Geschwindigkeit eines Auslesevorgangs der Daten angepasst werden.
In einer Ausgestaltung weist das Verfahren einen oder beide folgenden, weiteren Schritte auf:

• Löschen eines Skyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens, wobei der Randabschnitt benachbart zu dem zu löschenden Skyrmion angeordnet ist und das Rotieren in der zweiten Rotationsrichtung erfolgt, und/oder
• Löschen eines Antiskyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens, wobei der Randabschnitt benachbart zu dem zu löschenden Antiskyrmion angeordnet ist und das Rotieren in der ersten Rotationsrichtung erfolgt.

Diese Ausgestaltung erlaubt ein gezieltes Löschen von zuvor geschriebenen Skyrmionen und Antiskyrmionen. Dies gelingt durch Ausführen einer Rotation der Magnetisierung in einem Randabschnitt, die zu der zum Schreiben des jeweiligen Quasiteilchens ausgeführten Rotation entgegengesetzt gerichtet ist. Dabei kann es sich um denselben Randabschnitt handeln, in dem die Magnetisierung zum Schreiben des betreffenden Quasiteilchens zuvor rotiert wurde, oder um einen anderen Randabschnitt, der sich zum Zeitpunkt des Löschens des betreffenden Quasiteilchens benachbart zu dem Quasiteilchen befindet. Schreiben und Löschen der Quasiteilchen kann somit am selben Ort oder an getrennten Orten erfolgen. In beiden Fällen kann sich das Material des Streifens nach dem Löschen im Wesentlichen in demselben Zustand befinden wie vor dem Schreiben des betreffenden Teilchens. Darum kann an der betreffenden Position nach dem Löschen jederzeit wieder ein Skyrmion oder ein Antiskyrmion geschrieben werden.
In einer Ausgestaltung weist das Verfahren den folgenden weiteren Schritt auf:

• Bewegen der geschriebenen Skyrmionen und Antiskyrmionen entlang einer Längsrichtung des Streifens.

Das Bewegen kann insbesondere durch Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. durch Einprägen eines Stroms in Längsrichtung des Streifens erfolgen. Dieser Transportmechanismus ist von Racetrack-Speichern grundsätzlich bekannt. Bei der Erfindung gelingt es, sowohl die Skyrmionen als auch die Antiskyrmionen entlang der Längsrichtung des Streifens zu bewegen.
In einer Ausgestaltung erfolgen das Schreiben von Skyrmionen und/oder Antiskyrmionen und das Bewegen der geschriebenen Skyrmionen und Antiskyrmionen abwechselnd in aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten eines vorgegebenen Zeittakts. Durch diese Taktung wird sichergestellt, dass Skyrmionen und Antiskyrmionen, die zu einem bestimmten Zeitpunkt bereits erzeugt worden sind, zunächst entlang des Streifens weiterbewegt werden, bevor an dem jeweiligen Randabschnitt weitere Skyrmionen und/oder an Antiskyrmionen geschrieben werden. Die Schreibvorgänge interferieren daher nicht mit den bereits geschriebenen Informationsträgern. Es versteht sich, dass etwaige Löschvorgänge ebenfalls in Zeitabschnitten eines vorgegebenen Zeittakts erfolgen können, die von den Zeitabschnitten, in denen die Bewegung der Quasiteilchen erfolgt, verschieden sind. Je nachdem, ob Löschen und Schreiben der Quasiteilchen an denselben Randabschnitten oder an voneinander getrennten Randabschnitten erfolgt, können die Schreib- und Löschvorgänge parallel oder in aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten ausgeführt werden.
Die oben angegebene Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch den Datenspeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Der Datenspeicher hat einen Streifen aus einem ferromagnetischen Material, das eine anisotrope Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung aufweist, und eine Schreibeinrichtung, die dazu ausgebildet ist,

• zum Schreiben eines Skyrmions eine Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens in einer ersten Rotationsrichtung zu rotieren und
• zum Schreiben eines Antiskyrmions eine Magnetisierung in einem Randabschnitt des Streifens in einer zweiten Rotationsrichtung, die der ersten Rotationsrichtung entgegengesetzt ist, zu rotieren.

Es handelt sich um einen Datenspeicher, mit dem das beschriebene Verfahren ausgeführt wird. Zur Erläuterung der Merkmale und Vorteile des Datenspeichers wird auf die vorangehenden Erläuterungen des Verfahrens verwiesen.
In einer Ausgestaltung weist das ferromagnetische Material des Datenspeichers eine Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung gemäß Anspruch 2 auf und/oder die Schreibeinrichtung ist dazu ausgebildet, das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6 auszuführen und/oder der Datenspeicher weist eine Transporteinrichtung zum Bewegen von Skyrmionen und Antiskyrmionen entlang einer Längsrichtung des Streifens auf, insbesondere wie im Anspruch 7 oder im Anspruch 8 angegeben. Zur Erläuterung der Merkmale und Vorteile dieser Ausgestaltungen des Datenspeichers wird auf die vorangehenden Erläuterungen der entsprechenden Ausgestaltungen des Verfahrens verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Schreibens von Skyrmionen und Antiskyrmionen in einem Streifen aus einem ferromagnetischen Material,
2 Diagramme zur Entwicklung der Magnetisierung in der Ebene des Streifens zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Rotation der Magnetisierung in einem Randabschnitt,
3 eine schematische Darstellung eines Racetrack-Datenspeichers,
4 drei Diagramme zum zeitlichen Verlauf unterschiedlicher Parameter während des Schreibens von Skyrmionen und Antiskyrmionen und
5 ein Diagramm zur räumlichen Verteilung der Skyrmionen und Antiskyrmionen nach dem Schreibvorgang aus 4.

Der in 1 gezeigte Streifen 10 besteht aus einem ferromagnetischen Material und weist eine anisotrope Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung auf. Eine Längsrichtung des Streifens verläuft in der mit x bezeichneten Richtung. In der mit y bezeichneten Richtung erstreckt sich der Streifen 10 über eine Breite 12, die beispielsweise im Bereich von 5 nm bis 50 nm liegen kann. Die Breite 12 ist größer als eine Dicke 14 des Streifens 10, die lediglich eine Atomlage oder einige wenige Atomlagen betragen kann. Nicht dargestellt ist ein Trägermaterial, auf das der Streifen 10 als Schicht aufgebracht sein kann.
Das ferromagnetische Material des Streifens 10 weist eine anisotrope Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung auf. Genauer beträgt das Verhältnis einer Komponente Dy, die die Größe der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung in der Breitenrichtung des Streifens 10 beschreibt, und einer Kompetente Dx, die die Größe der Wechselwirkung in der Längsrichtung des Streifens 10 beschreibt, betragsmäßig maximal 0,6. In diesem Fall bilden sowohl Skyrmionen als auch ihre Antiteilchen, Antiskyrmionen, stabile Zustände.
Um Skyrmionen und Antiskyrmionen zu schreiben, ist bei der Erfindung vorgesehen, die Magnetisierung des Streifens 10 in einem Randabschnitt 16 zu rotieren. Geschieht dies in einer ersten Rotationsrichtung, in der 1 durch den Pfeil Sk angedeutet, entsteht durch diese Rotation der Magnetisierung ein Skyrmion. Geschieht dies in einer zweiten, der ersten Rotationsrichtung entgegengesetzten Rotationsrichtung, in 1 durch den Pfeil Ask gekennzeichnet, entsteht durch diese Rotation der Magnetisierung in dem Randabschnitt ein Antiskyrmion. In beiden Fällen befindet sich das erzeugte Quasiteilchen nach Abschluss einer vollen Rotation benachbart zu dem Randabschnitt 16, etwa in der Mitte des Streifens 10 (bezogen auf dessen Breitenrichtung).
Die Rotation der Magnetisierung kann in beiden Fällen, also sowohl zum Schreiben eines Skyrmions als auch zum Schreiben eines Antiskyrmions, um eine Rotationsachse erfolgen, die parallel zu der x-Richtung und parallel zu einer Längskante, an der sich der Randabschnitt 16 befindet, ausgerichtet ist. Dies ist in 1 durch die Pfeile mit dem eingezeichneten Rotationswinkel 0 veranschaulicht.
Im Beispiel der 1 weist die Magnetisierung in dem gesamten Streifen 10 vor dem Ausführen eines Schreibvorgangs nach unten, wie durch die sechs nach unten weisenden Pfeile gezeigt. Die drei nach oben weisenden Pfeile zeigen die Richtung der Magnetisierung zu einem Zeitpunkt des Schreibvorgangs an, bei dem die Magnetisierung und den Winkel θ, der etwas weniger als 180° beträgt, rotiert wurde.
Ebenfalls in 1 veranschaulicht ist ein in der Entstehung befindliches Quasiteilchen 18, das sich bei fortgeführter Rotation der Magnetisierung von dem Randabschnitt 16 ablöst und auf die Mitte des Streifens 10 zubewegt. Der Pfeil 20, der in Längsrichtung des Streifens weist, bezeichnet eine mögliche Richtung, entlang der alle erzeugten Quasiteilchen 18 bewegt werden können.
2 zeigt die Entwicklung der Magnetisierung in der Ebene des Streifens 10, deren Richtungen weiterhin mit x und y bezeichnet sind. Beide Achsen weisen die Einheit a entsprechend einer Gitterkonstante des magnetischen Materials auf. Jedes Diagramm zeigt mit einer Vielzahl von Pfeilen die in der Zeichenebene befindliche Komponente der Magnetisierung an. Die Farbcodierung gibt zusätzlich Aufschluss über die z-Komponente der Magnetisierung, also die in Richtung der Dicke 14 des Streifens weisende Komponente.
Die vier Diagramme in der oberen Reihe der 2 beziehen sich auf eine erste Rotationsrichtung, bei der der Winkel 0 in positiver Richtung vergrößert wird. Dargestellt ist die Magnetisierung zu vier Zeitpunkten, entsprechend den Winkeln 0 = 90°, θ = 180°, θ = 270° und θ = 360°. In den vier Diagrammen in der unteren Reihe der 2 ist die Magnetisierung für den umgekehrten Fall dargestellt, bei dem der Winkel 0 in negativer Richtung vergrößert wird, ebenfalls dargestellt zu vier Zeitpunkten, die den Rotationswinkeln 0 = -90°, 0 = -180°, 0 = -270° und 0 = -360° entsprechen. Der Randabschnitt, in dem die Magnetisierung rotiert wird, befindet sich in allen Diagrammen in einem unteren linken Abschnitt, genauer in einem Streifen mit den x/y-Koordinaten 0/0 bis 15/0.
Man erkennt, dass sich die Magnetisierung in dem betrachteten Ausschnitt des Streifens 10 anfangs in unmittelbarer Nähe des Randabschnitts 16 ändert und dass sich die Veränderung der Magnetisierung von dort aus mit zunehmendem Rotationswinkel über beinahe die gesamte Breite 12 des Streifens 10 hinweg entwickelt. Nach Abschluss einer vollen Rotation der Magnetisierung ist in der oberen Reihe ein Skyrmion entstanden, erkennbar an der typischen, wirbelartigen Struktur der in dem Diagramm mit 0 = 360° vorliegenden Magnetisierung. Bei entgegengesetzter Rotationsrichtung bildet sich ein Antiskyrmion aus, erkennbar in dem Diagramm unten rechts mit 0 = -360°. Nach Abschluss der Rotation der Magnetisierung in dem Randabschnitt 16 bleibt die so ausgebildete Magnetisierung in dem Streifen 10 stabil, abgesehen von einer möglichen Bewegung der Quasiteilchen, insbesondere entlang der Längsrichtung des Streifens.
3 zeigt ebenfalls einen Streifen 10 aus einem ferromagnetischen Material, der als Racetrack-Speicher ausgebildet ist. Über die Längsrichtung des Streifens 10 hinweg ist eine Spannung V angelegt, die zu einer Bewegung der in dem Streifen 10 befindlichen Skyrmionen und Antiskyrmionen führt, wie durch die gestrichelt dargestellten Pfeile veranschaulicht. An der Längskante des Streifens, die dem Betrachter zugewandt ist, befinden sich mehrere Randabschnitte 16, in denen die Magnetisierung mithilfe einer geeigneten Einrichtung in der erläuterten Weise rotiert werden kann. Diese Bereiche sind in der 3 jeweils durch vier nicht ausgefüllte Pfeile veranschaulicht. In diesen vier Randabschnitten 16 können somit parallel Skyrmionen und Antiskyrmionen geschrieben werden.
4 veranschaulicht anhand von drei Diagrammen einen komplexeren Schreibvorgang, bei dem insgesamt vier Skyrmionen und vier Antiskyrmionen erzeugt werden. Im obersten Diagramm ist der zeitliche Verlauf der Magnetisierung in einem Randabschnitt 16 eines Streifens 10 angegeben, und zwar in Form der y-Komponente der Magnetisierung. Dieses Diagramm umfasst acht Zeittakte, die jeweils etwas weniger als 500 ps lang sind. Jeder Zeittakt weist zwei aufeinanderfolgende Zeitabschnitte auf. Im ersten Zeitabschnitt, der sich über etwa zwei Drittel des gesamten Zeittakts erstreckt, erfolgt die Rotation der Magnetisierung in dem Randabschnitt 16. In einem darauffolgenden Zeitabschnitt bis zum Ende des jeweiligen Zeittaktes wird die Magnetisierung in dem Randabschnitt 16 nicht beeinflusst. Im ersten, dritten, sechsten und siebten Zeittakt ist die y-Komponente Magnetisierung als durchgezogenen Linie dargestellt; die gewählte Rotationsrichtung führt jeweils zur Erzeugung eines Skyrmions. Im zweiten, vierten, fünften und achten Zeittakt ist die y-Komponente der Magnetisierung als strichpunktierte Linie dargestellt. Sie rotiert in entgegengesetzter Richtung, was zur Erzeugung eines Antiskyrmions führt.
Das mittlere Diagramm der 4 zeigt den zeitlichen Verlauf eines in Längsrichtung des Streifens 10 fließenden Stroms mit einer Stromdichte v_s. In jedem Zeittakt gibt es im zweiten Zeitabschnitt einen kurzen Puls, der zu einer gleichmäßigen Bewegung aller in dem Streifen 10 befindlichen Skyrmionen und Antiskyrmionen führt. Während der jeweiligen ersten Zeitabschnitte, in denen die Magnetisierung in den Randabschnitten 10 rotiert wird, ist der Strom abgeschaltet.
Das untere Diagramm der 4 gibt den zeitlichen Verlauf der topologischen Ladung (englisch: topological charge) an, deren Betrag der Anzahl der Skyrmionen (Q_Sk) und der Antiskyrmionen (Q_ASk) entspricht. Man erkennt, dass zum Zeitpunkt t = 0 die Anzahl der Skyrmionen und Antiskyrmionen jeweils 0 ist, während sie am Ende des betrachteten Zeitraums bei etwa bei t = 3,7 ns jeweils 4 beträgt. Insgesamt wurden also vier Skyrmionen und vier Antiskyrmionen erzeugt.
Das Diagramm der 5 zeigt die Anordnungen der erzeugten Skyrmionen und Antiskyrmionen am Ende des betrachteten Zeitraums in der Ebene des Streifens 10 an. Man erkennt, dass sich die vier Skyrmionen und vier Antiskyrmionen entlang der Längsrichtung (x-Richtung) des Streifens 10 in annähernd gleichen Abständen befinden, während sie in Breitenrichtung (y-Richtung) des Streifens 10 jeweils etwa in der Mitte des Streifens 10 angeordnet sind. Alle Quasiteilchen bilden eine stabile Folge und wurden je nach Zeitpunkt ihrer Erzeugung bereits mehrfach um einen Schritt entlang der Längsrichtung des Streifens 10 bewegt.
Bezugszeichenliste

10: Streifen
12: Breite
14: Dicke
16: Randabschnitt
18: Quasiteilchen
20: Pfeil

Claims

Verfahren zum Speichern von Daten in Form von Skyrmionen und Antiskyrmionen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: • Bereitstellen eines Streifens (10) aus einem ferromagnetischen Material, das eine anisotrope Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung aufweist, • Schreiben eines Skyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt (16) des Streifens (10) in einer ersten Rotationsrichtung und • Schreiben eines Antiskyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt (16) des Streifens (10) in einer zweiten Rotationsrichtung, die der ersten Rotationsrichtung entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung des ferromagnetischen Materials eine Komponente Dx, die die Größe der Wechselwirkung in einer Längsrichtung des Streifens (10) beschreibt, und eine Komponente Dy, die die Größe der Wechselwirkung in einer Breitenrichtung des Streifens (10) beschreibt, aufweist, wobei der Betrag des Verhältnisses Dy/Dx kleiner als 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotieren der Magnetisierung um eine Rotationsachse erfolgt, die parallel zu einer Längsrichtung des Randabschnitts (16) ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Randabschnitt (16) ein seitlicher Randabschnitt (16) ist, der an einer Längskante des Streifens (10) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotieren einer Magnetisierung in unterschiedlichen Randabschnitten (16) des Streifens (10) vorgenommen wird, so dass mehrere Schreibvorgänge parallel ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: • Löschen eines Skyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt (16) des Streifens (10), wobei der Randabschnitt (16) benachbart zu dem zu löschenden Skyrmion angeordnet ist und das Rotieren in der zweiten Rotationsrichtung erfolgt, und/oder durch den weiteren Schritt: • Löschen eines Antiskyrmions durch Rotieren einer Magnetisierung in einem Randabschnitt (16) des Streifens (10), wobei der Randabschnitt (16) benachbart zu dem zu löschenden Antiskyrmion angeordnet ist und das Rotieren in der ersten Rotationsrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt: • Bewegen der geschriebenen Skyrmionen und Antiskyrmionen entlang einer Längsrichtung des Streifens (10).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schreiben von Skyrmionen und/oder Antiskyrmionen und das Bewegen der geschriebenen Skyrmionen und Antiskyrmionen abwechselnd in aufeinanderfolgenden Zeitabschnitten eines vorgegebenen Zeittakts erfolgen.
Datenspeicher mit einem Streifen (10) aus einem ferromagnetischen Material, das eine anisotrope Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung aufweist, und einer Schreibeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, • zum Schreiben eines Skyrmions eine Magnetisierung in einem Randabschnitt (16) des Streifens (16) in einer ersten Rotationsrichtung zu rotieren und • zum Schreiben eines Antiskyrmions eine Magnetisierung in einem Randabschnitt (16) des Streifens (10) in einer zweiten Rotationsrichtung, die der ersten Rotationsrichtung entgegengesetzt ist, zu rotieren.
Datenspeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material eine Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung gemäß Anspruch 2 aufweist und/oder dadurch, dass die Schreibeinrichtung dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6 auszuführen und/oder durch eine Transporteinrichtung zum Bewegen von Skyrmionen und Antiskyrmionen entlang einer Längsrichtung des Streifens, insbesondere wie im Anspruch 7 oder im Anspruch 8 angegeben.