DE102021111874A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen. Weiterhin wird die Verwendung entsprechend bereitgestellter Skyrmionen für die stochastische Datenverarbeitung vorgeschlagen.Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen (S) umfasst das Bestrahlen eines Dekorrelationsgebietes (10) eines zur optisch induzierten Ausbildung von Skyrmionen geeigneten ferro-, ferri- oder antiferromagnetischen Dünnschichtsystems (20) mit einem Laserpuls (P) zur Ausbildung von Skyrmionen (S), wobei die Fluenz Φ des Laserpulses (P) im Dekorrelationsgebiet (10) eine Temperatur T oberhalb der kritischen Temperatur Tkritfür die magnetische Ordnung des Dünnschichtsystems (20) aber unterhalb der Zerstörungsschwellentemperatur TZSdes Dünnschichtsystems (20) erzeugt. Bei einem erfindungsgemäßen Skyrmionen-Dekorrelator erfolgt eine Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen (S) mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bereitstellung entsprechender Skyrmionen (S).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung dekorrelierter magnetischer Skyrmionen. Weiterhin wird die Verwendung entsprechend bereitgestellter dekorrelierter Skyrmionen für die stochastische Datenverarbeitung vorgeschlagen.
• Stand der Technik
• Magnetische Skyrmionen sind magnetische Quasiteilchen mit typischen Größen im Nano- oder Mikrometerbereich, die insbesondere in dünnen Filmen sowie an Oberflächen und Grenzflächen bestimmter magnetischer Systeme auftreten können. Die Erzeugung von Skyrmionen sowie deren mögliche praktische Anwendungen bilden ein relativ neues und aktives Forschungsgebiet. Erste direkte Nachweise solcher Solitonen-Wirbel in magnetischen Feldern gelangen gegen Ende des vorletzten Jahrzehnts. Erst 2013 konnte gezeigt werden, dass Skyrmionen gezielt auf Oberflächen erzeugt und gelöscht werden können (Romming et al., Sci. 341, 6146 (2013)).
• Skyrmionen können vor allem in ferromagnetischen Mehrschichtsystemen (Multilayer) mit einzelnen Femtosekunden-Infrarot-Laserpulsen oberhalb einer materialabhängigen Fluenzschwelle Φ_sk erzeugt und annihiliert werden. Aus Sicht der Anwendung bietet die optische Kontrolle von Skyrmionen einen Weg zu einer schnelleren und möglicherweise energieeffizienteren neuen Klasse von Geräten in der Informationstechnologie. Magnetische Skyrmionen wurden dabei als Träger der Information (dem einzelnen Bit) für die Informationstechnologie im Allgemeinen vorgeschlagen, weil sie potenziell klein sind, durch Magnetfelder und spin-polarisierte elektrische Ströme manipuliert werden können und bei Raumtemperatur stabil sind. Insbesondere wird daher eine Anwendung in der Datenspeicherung diskutiert (Hanneken et al., Nat. Nanotechnol. 10, 1039 (2015)). Skyrmionen können potenziell zur Darstellung digitaler Informationen, aber auch für die sogenannte probabalistische bzw. stochastische Datenverarbeitung genutzt werden.
• Im Gegensatz zur arithmetischen (z. B. binären) Datenverarbeitung führt die probabalistische bzw. stochastische Datenverarbeitung Rechenoperationen auf der Basis von Wahrscheinlichkeiten durch. Zahlen werden durch Bitfolgen repräsentiert, die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit Bits mit dem Wert „1“ enthalten. Je länger die Bitfolge ist, umso genauer kann die Wahrscheinlichkeit kodiert werden und umso genauer sind die Rechenvorgänge. Die Bitfolgen können von arithmetischen Recheneinheiten mit geringer Komplexität verarbeitet werden. Der Hauptvorteil des stochastischen Rechnens ist die inhärente Fehlertoleranz, z. B. gegenüber einzelnen Bitflip-Fehlern. Mögliche Korrelationen zwischen den Bitfolgen führen jedoch zu Berechnungsfehlern, was die Anwendung von Dekorrelationseinheiten (auch als Reshuffler oder Dekorrelator bezeichnet) erforderlich macht, die die Bitfolge randomisieren, aber den Wahrscheinlichkeitswert beibehalten.
• Stochastische Bitfolgen können aus Abfolgen von Skyrmionen dargestellt werden. Bei der stochastischen Datenverarbeitung mit Skyrmionen werden beispielsweise Informationen ebenfalls als Wahrscheinlichkeiten in Bit-Sequenzen aus Nullen und Einsen kodiert, wobei die Einsen jeweils durch einzelne Skyrmionen und Nullen durch deren Abwesenheit repräsentiert werden können. Für eine korrekte Verarbeitung dürfen diese Bit-Sequenzen keine Korrelationen aufweisen, d. h. die Einsen und Nullen der Bitfolgen müssen vollkommen zufällig verteilt sein. Ein entsprechender Dekorrelator soll es ermöglichen, dass eine Bit-Sequenz zufällig neu angeordnet wird, ohne die Anzahl der in der Bit-Sequenz auftretenden Nullen und Einsen wesentlich zu verändern.
• Das grundsätzliche Konzept eines Skyrmionen-Dekorrelators wurde bereits 2016 als Patent angemeldet ( FR 3 051 573 ). Eine mögliche Realisierung für einen solchen Dekorrelator beruht auf der thermischen Diffusion von mikrometergroßen Skyrmionen auf Zeitskalen von Sekunden, was eine Anwendung für die Datenverarbeitung jedoch unwahrscheinlich macht (Zázvorka et al., Nat. Nanotechnol. 14, 658 (2019)). Darauf aufbauend wurde numerisch eine Anwendung suggeriert, wie man aus dekorrelierten Skyrmion-Sequenzen ein Ergebnis berechnen kann (Zhang et al, Phys. Rev. Applied 13, 054049 (2020)). Das Konzept des rein thermischen Dekorrelators wurde weiterhin vorgeschlagen zur Erzeugung echter Zufallszahlen (Yao et al., IEEE Trans. Electron Devices 67, 6 (2020)). Skyrmionen sind somit prinzipiell für die stochastische Datenverarbeitung geeignet, die bisherigen Konzepte genügen jedoch nicht den erforderlichen Anforderungen an die benötigen Zeit- und Längenskalen.
• Offenbarung der Erfindung
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der Zeit- und Längenskalen zur Verfügung zu stellen, welche die im Stand der Technik auftretenden Probleme vermeidet oder zumindest deutlich verringert.
• Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 5 und 6 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen enthalten.
• Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen, umfassend das Bestrahlen eines Dekorrelationsgebietes eines zur optisch induzierten Ausbildung von Skyrmionen geeigneten ferro-, ferri- oder antiferromagnetischen Dünnschichtsystems mit einer senkrechten magnetischen Anisotropie mit einem Laserpuls zur Ausbildung von Skyrmionen, wobei die Fluenz Φ des Laserpulses im Dekorrelationsgebiet eine Temperatur T oberhalb der kritischen Temperatur T_krit für die magnetische Ordnung des Dünnschichtsystems aber unterhalb der Zerstörungsschwellentemperatur T_ZS des Dünnschichtsystems erzeugt.
• Das Verfahren kann insbesondere auf Basis einer optisch induzierten Erzeugung und Vernichtung von Skyrmionen in ferromagnetischen Multilagen, die auf einer sub-ns Zeitskala und Nanometer-Längenskala arbeitet, realisiert werden (Büttner et al., Nat. Mater. 20, 30 (2021)). Die Skyrmionen werden hierbei durch Bestrahlen des Schichtsystems mit gepulster Laserstrahlung innerhalb des Schichtsystems erzeugt. Während bisherige Ansätze sehr langsam im Sekundenbereich arbeiten, vollzieht sich der Prozess in entsprechenden Schichtsystemen auf der Zeitskala unterhalb von 1 ns.
• Durch die Erfinder konnte gezeigt werden, dass eine zufällige Verteilung von Skyrmionen in entsprechend ausgebildeten magnetischen Schichten durch einen einzigen ultrakurzen Laserpuls erzeugt werden können. Die Laserfluenz Φ muss dabei hoch genug sein, um eine materialspezifische Schwelle zu überwinden, bei der nach jedem Schuss eine neue vollständig dekorrelierte Zufallsverteilung erzeugt wird. Diese Verteilung ist dann räumlich absolut zufällig und unabhängig vom magnetischen Zustand des Materials vor der Laserbestrahlung, also auch unabhängig von einer eventuell bereits bestehenden vorherigen räumlichen Verteilung von Skyrmionen.
• Es lassen sich somit mit einem einzelnen Laserpuls, also insbesondere ohne jegliche Wartezeit bis zu einer vollständigen thermischen Dekorrelation wie im Stand der Technik, zufällige Anordnungen von Skyrmionen in einem ausdehnten Gebiet eines magnetischen Dünnschichtmaterials erzeugen. Daher arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren demgegenüber auf sehr kurzen Zeitskalen. Um dabei eine hohe Anzahl von Dekorrelationsprozessen pro Zeiteinheit zu ermöglichen, sollte die Dauer τ der Laserpulse möglichst kurz gewählt sein. Da es sich bei der optischen Skyrmionenerzeugung um einen direkten thermischen Prozess handelt, ist er jedoch nicht von der Länge des verwendeten Laserpulses abhängig. Vorzugsweise liegt die Dauer τ des Laserpulses im Bereich zwischen 1 fs und 1 ns.
• Die technischen Anforderungen an die Lasereinheit sind dabei nur gering. Für die zufällige Erzeugung der Skyrmionen muss eine bestimmte materialspezifische kritische Laserfluenz Φ_krit (eingestrahlte Energie pro Fläche) im Dekorrelationsgebiet überschritten werden, um eine zufällige Verteilung der Skyrmionen sicherstellen zu können. Die Fluenz Φ des Laserpulses in einem Dekorrelationsgebiet muss dabei insbesondere ausreichen, eine Temperatur T oberhalb einer materialspezifischen kritischen Temperatur T_krit für die magnetische Ordnung des jeweiligen Dünnschichtsystems zu erreichen aber unterhalb der Zerstörungsschwellentemperatur T_ZS des Dünnschichtsystems liegen. In diesem Fall ist die Verteilung der erzeugten Skyrmionen vollkommen dekorreliert. Die kritische Fluenz Φ_krit kann durch ein Verschwinden der mittleren Korrelation der erzeugten Skyrmionen materialabhängig bestimmt werden.
• Als kritische Temperatur T_krit wird dabei die Temperatur T bezeichnet, ab der die mittlere räumliche Korrelation C der Skyrmionen verschwindet. Bei höheren durch die Bestrahlung erzeugten Temperaturen τ liegt die mittlere räumliche Korrelation C der Skyrmionen dann konstant beim Wert 0 (bzw. im Rahmen der Messgenauigkeit im Wesentlichen um den Wert 0 herum), sodass insbesondere eine neu erzeugte Skyrmionenanordnung S₂ nicht von einer zuvor bestehenden Anordnung S₂ abhängig ist. Die räumliche Korrelation C zweier Skyrmionenanordnungen S₁ und S₂ innerhalb eines Bereiches B(x,y) wird dabei definiert als $$C=\frac{{\int }_{B}dxdy{S}_1\left(x,y\right)S_2\left(x,y\right)}{\sqrt{{\int }_{B}dxdy{S}_1^2\left(x,y\right){\int }_{B}dxdy{S}_2^2\left(x,y\right)}}.$$

  
• Hierbei sind S₁(x,y) und S₂(x,y) funktionale Repräsentationen der räumlichen Skyrmionenanordnungen, bei denen bei Vorhandensein eines Skyrmions am Ort (x,y) gilt S_i(x,y) = 1, bei Nichtvorhandensein eines Skyrmions hingegen gilt S_i(x,y) = 0. Die mittlere räumliche Korrelation ergibt sich als das arithmetische Mittel nach einer mehrfach wiederholten Bestimmung der räumlichen Korrelation C.
• Als Zerstörungsschwellentemperatur Tzs des Dünnschichtsystems wird die Temperatur bezeichnet, ab der im Materialsystem erste irreversible Änderungen in der Struktur im Sinne optisch induzierter Schäden auftreten. Die Zerstörungsschwellentemperatur Tzs des Dünnschichtsystems begrenzt den effektiven Arbeitsbereich der Erfindung, ist ansonsten jedoch nicht wesentlich für die Erfindung. Hingegen ist das Erreichen der kritischen Temperatur T_krit notwendig für das erfinderische Verfahren.
• Ursächlich für die Dekorrelation der Skyrmionen ist eine bestimmte durch die Bestrahlung im Dünnschichtsystem erreichte Mindesttemperatur T_krit. Die Temperatur T wird erfindungsgemäß durch eine optische Wechselwirkung eingestellt. Dabei kommt es jedoch auch auf die Ausgangstemperatur des Dünnschichtsystems an. Während die kritische Fluenz Φ_krit somit nur materialspezifisch im Zusammenhang mit weiteren externen Parametern festgelegt werden kann, wird die kritische Temperatur T_krit allein durch das Dünnschichtsystem bestimmt. Die Erzeugung der Skyrmionen setzt jedoch eine optische Wechselwirkung mit einer bestimmten minimale Fluenz Φ_sk voraus.
• Mit anderen Worten, die Fluenz Φ des Laserpulses muss zur Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen mindestens eine bestimmte materialabhängige kritische Fluenz Φ_krit überschreiten, ab der die mittlere Korrelation der erzeugten Skyrmionen verschwindet. Ausgehend von einem Korrelationswert von 1 für unzureichend kleine Fluenzen Φ zeigt die mittlere Korrelation der Skyrmionen dabei mit steigender Fluenz Φ eine negative lineare Abhängigkeit bis zu einem Korrelationswert von 0 bei der kritischen Fluenz Φ_krit. Für eine optisch induzierte Skyrmionenerzeugung ist jedoch ein Laserpuls mit einer materialabhängigen minimalen Fluenz Φ_sk einzustrahlen. Die minimale Fluenz Φ_sk liegt typischerweise bei etwa 10 mJ/cm² bis 15 mJ/cm². Die kritische Fluenzen Φ_krit zur Dekorrelation liegt typischerweise oberhalb von 15 mJ/cm². Die Fluenz Φ muss unterhalb der Zerstörungsschwelle des Dünnschichtsystems liegen, also typischerweise unterhalb 50 mJ/cm². Die genauen Werte für die einzelnen Fluenzbereiche sowie die optimalen Frequenzbereiche des Laserpulses sind jedoch materialabhängig und variieren zwischen unterschiedlichen Dünnschichtsystemen.
• Geeignete ferro-, ferri- oder antiferromagnetische Dünnschichtsysteme sind dem Fachmann bekannt. Für die Ausbildung von Skyrmionen muss die magnetische Schicht eine senkrechte oder nahezu senkrechte magnetische Anisotropie aufweisen. Die jeweiligen Schichtdicken sollten vorzugsweise kleiner als 100 nm sein. Magnetische Schichten mit einer signifikanten Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (Dzyaloshinskii-Moriya Interaction, DMI) sind technologisch bevorzugt, da sie homochirale Skyrmionen ausbilden, die mit elektrischen Strömen manipuliert werden können. Die magnetische Anisotropie bezeichnet den Beitrag zur Energie des Dünnschichtsystems, der von der Richtung der Magnetisierung abhängt. Sie bestimmt die Richtung der leichten Magnetisierungsachse oder Magnetisierungsachsen. Verfahren zur Beeinflussung der magnetischen Anisotropie in Dünnschichtsystemen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. In Dünnschichtsystemen mit einer senkrechten magnetischen Anisotropie ist die leichte Achse senkrecht zur Schichtebene orientiert. Eine Magnetisierung in Abwesenheit äußerer Magnetfelder erfolgt daher senkrecht (bzw. aufgrund von Toleranzen bei der Herstellung der Schichtstrukturen im Wesentlichen senkrecht) zur Schichtebene. Bei Dünnschichtsystemen mit einer nahezu senkrechten Anisotropie erfolgt die Magnetisierung in Abwesenheit äußerer Magnetfelder hingegen nicht senkrecht zur Schichtebene, sondern die Achse der Magnetisierung ist leicht gegenüber einer Achse senkrechten zur Schichtebene (d. h. gegenüber der Senkrechten) geneigt. Dabei wird ein Dünnschichtsystem, bei dem die Richtung der leichten Magnetisierungsachse eine die üblichen Toleranzen für eine senkrechte Anisotropie übersteigende Neigung von vorzugsweise maximal 10°, bevorzugter maximal 5° und noch bevorzugter maximal 1° gegenüber der Senkrechten aufweist, üblicherweise als Material mit einer nahezu senkrechten magnetischen Anisotropie bezeichnet.
• Insbesondere konnte die optische Skyrmionen-Dekorrelation an zwei ferromagnetischen Multilagen-Dünnschichtsystemen mit senkrechter magnetischer Anisotropie demonstriert werden: an einem System mit mehrfach wiederholten Co/Pt-Lagen (Gesamtdicke: 21 nm) sowie einen System mit mehrfach wiederholten Pt/Co₆₀Fe₂₀B₂₀/MgO-Lagen (Gesamtdicke: 76 nm), zzgl. Antioxidationsschichten. Bei Co/Pt-basierten Dünnschichtsystemen liegt die intrinsische Geschwindigkeit für die optische Erzeugung der Skyrmionen bei etwa 300 ps (Büttner et al., Nat. Mater. 20, 30 (2021)).
• Es können nahezu beliebig große und kleine Skyrmionen randomisiert erzeugt werden (Durchmesser bevorzugt zwischen 1 nm bis 10 µm). Die Größe der Skyrmionen ist nur durch die Eigenschaften des Schichtsystems bestimmt und unabhängig von den Eigenschaften des verwendeten Laserpulses. Daher lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Skyrmiongrößen (Durchmesser) im unteren Nanometerbereich bereitstellen, um sehr hohe Integrationsdichten (z. B. für sehr kleine Strukturgrößen bei den Recheneinheiten) zu realisieren. Beispielsweise konnte mit den beiden oben genannten Multilagensystemen eine Dekorrelation von Skyrmionen mit Durchmessern zwischen etwa 70 nm und 150 nm realisiert werden.
• Vorzugsweise wird die Fläche F des Dekorrelationsgebiets durch die Ausdehnung des Dünnschichtsystems innerhalb der Schichtebene oder durch die im Dünnschichtsystem wirksam bestrahlte Fläche nach oben begrenzt. Das Dekorrelationsgebiet kann somit entweder durch die Größe des Laserpulses (Laserspot- oder Strahldurchmesser) innerhalb eines ausgedehnten, die Größe des Laserpulses übertreffenden Schichtsystem oder durch eine gegenüber der Größe des Laserpulses verringerten Ausdehnung des magnetischen Materials selbst bestimmt werden. Insbesondere können lithografisch hergestellte Formen verwendet werden, wie Streifenleitungen oder Skyrmionen-Reservoire mit Zu- und/oder Ableitungen für die bereitgestellten Skyrmionen.
• Vorzugsweise wird die Dichte ρ_sk der Skyrmionen über eine magnetische Feldstärke B_z einer das Dekorrelationsgebiet senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes während des Bestrahlens eingestellt. Die Dichte ρ_sk der Skyrmionen, welche dem Wahrscheinlichkeitswert für das stochastische Rechnen entspricht, lässt sich somit direkt über die Höhe des angelegten äußeren Magnetfeldes präzise steuern. Es herrscht dabei ein linearer Zusammenhang. Insbesondere ist die Dichte ρ_sk oberhalb des Grenzwertes der Laserfluenz Φ_sk für die optische Erzeugung von Skyrmionen nicht mehr abhängig von der Laserfluenz. Beispielsweise konnten im oben genannten Co/Pt-System Dichten für Skyrmionen von 0,5 Skyrmionen pro µm² bis ca. 50 Skyrmionen pro µm² durch Variation einer das Dekorrelationsgebiet senkrecht durchsetzenden Komponente B_z eines äußeren Magnetfeldes während des Bestrahlens eingestellt werden. Die maximal erreichbaren Dichten ρ_sk sind von der intrinsischen Skyrmionengröße (Durchmesser) abhängig.
• Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellter dekorrelierter Skyrmionen für die stochastische Datenverarbeitung.
• Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft einen Skyrmionen-Dekorrelator, umfassend ein zur optisch induzierten Ausbildung von Skyrmionen geeignetes ferro-, ferri- oder antiferromagnetischen Dünnschichtsystem mit einer senkrechten oder nahezu senkrechten magnetischen Anisotropie; und einen Laser zum Bestrahlen eines Dekorrelationsgebiets des Dünnschichtsystems; wobei eine Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen im Dekorrelationsgebiet mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt.
• Der Dekorrelator kann in Architekturen basierend auf sogenannten Skyrmionen-Racetracks integriert werden. Hierbei werden die Skyrmionen in Streifenleitungen mittels elektrischen Stroms zu Schreib-, Lese- und Recheneinheiten transportiert. Eine erfindungsgemäße laser-basierte Dekorrelationseinheit kann einerseits genutzt werden, um Skyrmion-Bitfolgen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeitsdichte, aber zufälliger Verteilung zu generieren oder um die Verteilung in einer vorhandenen Folge zufällig neu umzuordnen.
• Im letzteren Fall muss die Wahrscheinlichkeitsdichte der Skyrmionen vorher in einem entsprechenden Leseelement bestimmt werden. Ein Löschen der alten Verteilung ist nicht notwendig. Die Belichtung mit einem erfindungsgemäßen Laserpuls löscht die alte Verteilung vollständig und erzeugt gleichzeitig eine neue. Somit kann eine Dekorrelation von Skyrmionen mit identischer Wahrscheinlichkeitsdichte erfolgen. Für die Zwecke der stochastischen Datenverarbeitung handelt es sich bei Skyrmionen um praktisch nicht unterscheidbare Quasiteilchen, daher unterscheiden sich die beiden Skyrmionen-Konfigurationen bis auf die erfolgte Dekorrelation nicht voneinander. Der Dekorrelationsprozess ist somit identisch mit einer dekorrelisierenden Neuverteilung der Skyrmionen unter Beibehaltung der „ursprünglichen“ Skyrmionen. Ein Skyrmionen-Dekorrelator umfasst daher vorzugsweise weiterhin ein Mittel zum Auslesen der Dichte ρ_sk der Skyrmionen im Dekorrelationsgebiet. Hierbei können insbesondere optische oder elektrische Verfahren zur Detektion der Skyrmionen im Dekorrelationsgebiet in Kombination mit einer entsprechenden Auswerteeinheit zur Bestimmung der Dichte ρ_sk der Skyrmionen zum Einsatz kommen.
• Vorzugsweise umfasst ein Skyrmionen-Dekorrelator weiterhin ein Mittel zum Einbringen und Steuern der magnetischen Feldstärke B_z einer das Dekorrelationsgebiet senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes. Über das Mittel zum Einbringen und Steuern der magnetischen Feldstärke B_z kann bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Dichte ρ_sk der Skyrmionen über die magnetische Feldstärke B_z einer das Dekorrelationsgebiet senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes während des Bestrahlens eingestellt werden. Insbesondere kann zur Dekorrelation einer bestehenden Skyrmionenverteilung eine zuvor daran ausgelesenen Dichte ρ_sk der Skyrmionen reproduziert werden.
• Vorzugsweise ist das Dekorrelationsgebiet als Abschnitt einer Streifenleitung für Skyrmionen oder als mit mindestens einer Streifenleitung für Skyrmionen verbundenes Reservoir ausgebildet. Entsprechende Streifenleitungen zur Leitung von Skyrmionen sind dem Fachmann bekannt. Die Streifenleitung oder das Reservoir werden dabei insbesondere durch eine entsprechende Strukturierung der Dünnschichtstruktur bereitgestellt.
• Vorzugsweise weist das Dünnschichtsystem eine Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (Dzyaloshinskii-Moriya Interaction, DMI) auf. Magnetische Schichten mit einer signifikanten Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung sind technologisch bevorzugt, da sie homochirale Skyrmionen ausbilden, die mit elektrischen Strömen manipuliert werden können.
• Vorzugsweise handelt es sich bei dem Dünnschichtsystem um eine Co/Pt-Multilagenschicht. Eine Co/Pt-Multilagenschicht ist ein Beispiel für ein geeignetes Materialsystem, welches kein DMI-Material ist.
• Die beschriebenen Beispiele für Dekorrelationsmessungen an Skyrmionen wurden an Ta(3.6)/Pt(3.7)/[Pt(2.7)/Co₆₀Fe₂₀B₂₀(0.9)/MgO(1.5)]₁₅/Pt(2.7) Multischichten (abgekürzt als Pt/CoFeB/MgO) und Ta(3)/[Co(0.6)/Pt(0.8)]₁₅/Ta(2) Multischichten (abgekürzt als Co/Pt) durchgeführt (Dicken in nm jeweils dahinter in Klammern angegeben). Beide Mehrschichtsysteme wurden auf Silizium-Nitrid-Membranen (Dicke 700 nm bzw. 150 nm) durch Magnetron-Sputtern abgeschieden. Während der Abscheidung wurde der ArgonDruck auf 2,7×10^-3 mbar für Co/Pt und 4×10^-3 mbar für Pt/CoFeB/MgO eingestellt (4,7×10^-3 mbar für Pt). Die Pt/CoFeB/MgO-Schichten wurden für die Strominjektion durch Lift-off-Elektronenstrahllithographie und Strukturierung mit fokussierten Ionenstrahlen in 1,5 µm bis 3 µm lange und 0,9 µm bis 1,4 µm breite Streifen strukturiert. Es wurden mehrere Proben mit nominell identischer Zusammensetzung hergestellt und auf ihrer Eigenschaften hin untersucht.
• Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
• Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
• Figurenliste
• Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer exemplarischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Skyrmionen-Dekorrelators,
• 2 eine schematische Darstellung zweier exemplarischer Dekorrelationsgebiete,
• 3 Diagramme zur Abhängigkeit der Korrelation zwischen den Skyrmionen in Abhängigkeit von der Fluenz Φ, und
• 4 Diagramme zur Abhängigkeit der Dichte ρ_sk der Skyrmionen von der magnetische Feldstärke B_z einer das Dekorrelationsgebiet senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes.
• Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
• 1 zeigt eine schematische Darstellung einer exemplarischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Skyrmionen-Dekorrelators. Der gezeigte erfindungsgemäße Skyrmionen-Dekorrelator umfasst ein zur optisch induzierten Ausbildung von Skyrmionen S geeignetes ferro-, ferri- oder antiferromagnetischen Dünnschichtsystem 20 mit einer senkrechten magnetischen Anisotropie; und einen Laser 30 zum Bestrahlen eines Dekorrelationsgebiets 10 des Dünnschichtsystems 20.
• Eine Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen S im Dekorrelationsgebiet 10 erfolgt mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend das Bestrahlen des Dekorrelationsgebietes 10 des Dünnschichtsystems 20 mit einem Laserpuls P zur Ausbildung von Skyrmionen S, wobei die Fluenz Φ des Laserpulses P im Dekorrelationsgebiet 10 eine Temperatur T oberhalb der kritischen Temperatur T_krit für die magnetische Ordnung des Dünnschichtsystems 20 aber unterhalb der Zerstörungsschwellentemperatur Tzs des Dünnschichtsystems 20 erzeugt. Das Dünnschichtsystem 20 ist in der gezeigten Darstellung auf einem Substrat 22 angeordnet.
• Weiterhin ist ein Mittel zum Einbringen und Steuern einer magnetischen Feldstärke B_z einer das Dekorrelationsgebiet 10 senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes B gezeigt. Über die magnetische Feldstärke B_z der das Dekorrelationsgebiet 10 senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes B während des Bestrahlens kann die Dichte ρ_sk der Skyrmionen S eingestellt werden. Die Dauer τ des Laserpulses P liegt bevorzugt im Bereich zwischen 1 fs und 1 ns.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung zweier exemplarischer Dekorrelationsgebiete 10. Die Fläche F des Dekorrelationsgebiets 10 wird durch die Ausdehnung des Dünnschichtsystems 20 innerhalb der Schichtebene E oder durch die im Dünnschichtsystem 20 wirksam bestrahlte Fläche A nach oben begrenzt. Das Dekorrelationsgebiet 10 kann dabei also entweder durch die Größe des Laserspots des Laserpulses P oder durch die Form des magnetischen Schichtsystems 10 bestimmt sein. Insbesondere können also lithografisch hergestellte Formen verwendet werden, wie beispielsweise Streifenleitungen 40 oder Skyrmionen-Reservoire 42 mit mindestens einer Streifenleitung 40 als Zu- und/oder Ableitungen für die Skyrmionen S.
• 3 zeigt Diagramme zur Abhängigkeit der Korrelation zwischen den Skyrmionen in Abhängigkeit von der Fluenz Φ. Es ist eine Korrelation von durch Laserpulse erzeugten Skyrmionenmustern gezeigt (Kreis-Symbole). Insbesondere wird die durchschnittliche Korrelation der Skyrmionenmuster in (a) Co/Pt und (b) Pt/CoFeB/MgO als zur optisch induzierten Skyrmionenerzeugung geeignetes Dünnschichtsystem dargestellt. Die Datenpunkte jeweils in den unteren Kurvenverläufen (Quadrat-Symbole) dienen zur Kontrolle und zeigen die durchschnittliche Korrelation bei einer zwischen zwei Pulsen jeweils magnetisch gesättigten Probe. Die Datenpunkte jeweils in den oberen Kurvenverläufen (Kreis-Symbole) zeigen den Mittelwert von mindestens fünf binären Magnetisierungsbildern nach aufeinanderfolgenden Laserpulsen ohne zwischenzeitliche Sättigung der Probe ((a) bei -83 mT, (b) bei 20 mT). Einschübe zeigen entsprechende Summenbilder.
• In (a) ist zu erkennen, dass im oberen Kurvenverlauf die kritische Temperatur T_krit am Dünnschichtsystem Co/Pt bei einer kritischen Fluenz Φ_krit von etwa 27 mJ/cm² erreicht wird. Bei dieser Fluenz Φ zeigt der entsprechende Korrelationsverlauf eine Knickstelle, ab der die mittlere Korrelation konstant auf 0 bleibt (im Rahmen der Messgenauigkeit). Die kritische Fluenz Φ_krit lässt sich somit unmittelbar aus einer gemessenen Abhängigkeit der Korrelation zwischen den Skyrmionen in Abhängigkeit von der Fluenz Φ aufgrund des Übergangs von einem linearen Abfall zu einem konstanten Nullwert ermitteln. Dieser von weiteren Parametern abhängigen kritischen Fluenz Φ_krit entspricht dabei einer kritischen Temperatur T_krit, welche im Wesentlichen eine Materialeigenschaft des jeweiligen Dünnschichtsystems darstellt. Die minimale Fluenz Φ_sk zur Erzeugung von Skyrmionen liegt bei ungefähr 13 mJ/cm². Die räumliche Korrelation wurde deshalb nur für Fluenzen Φ oberhalb dieser Schwelle bestimmt.
• Bei den in (b) gezeigten Auswertungsergebnissen am Dünnschichtsystem Pt/CoFeB/MgO zeigt sich trotz der geringeren Anzahl an Messpunkten ein entsprechendes Verhalten. Im oberen Kurvenverlauf (Kreis-Symbole) wird die kritische Temperatur T_krit bereits bei einer kritischen Fluenz Φ_krit von etwas über 18 mJ/cm² erreicht. Die minimale Fluenz Φ_sk zur Erzeugung von Skyrmionen liegt in diesem Beispiel bei ungefähr 11 mJ/cm².
• 4 zeigt Diagramme zur Abhängigkeit der Dichte ρ_sk der Skyrmionen S von der magnetische Feldstärke B_z einer das Dekorrelationsgebiet 10 senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes B. Insbesondere handelt es sich hierbei um die Skyrmion-Dichte ρ_sk nach einer einmaligen Bestrahlung mit einem Laserpuls von (a) Co/Pt und (b) Pt/CoFeB/MgO. Die Linien stellen jeweils eine lineare Anpassung an die Datenpunkte dar.
• Bezugszeichenliste

10

Dekorrelationsgebiet

20

Dünnschichtsystem

22

Substrat

30

Laser

40

Streifenleitung

42

Reservoir

S

Skyrmionen

P

Laserpuls

B

äußeres Magnetfeld

A

wirksam bestrahlte Fläche

E

Schichtebene

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• FR 3051573 [0006]

Claims (10)

1. Verfahren zur Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen (S), umfassend das Bestrahlen eines Dekorrelationsgebietes (10) eines zur optisch induzierten Ausbildung von Skyrmionen geeigneten ferro-, ferri- oder antiferromagnetischen Dünnschichtsystems (20) mit einer senkrechten oder nahezu senkrechten magnetischen Anisotropie mit einem Laserpuls (P) zur Ausbildung von Skyrmionen (S), dadurch gekennzeichnet, dass die Fluenz Φ des Laserpulses (P) im Dekorrelationsgebiet (10) eine Temperatur T oberhalb der kritischen Temperatur T_krit für die magnetische Ordnung des Dünnschichtsystems (20) aber unterhalb der Zerstörungsschwellentemperatur T_ZS des Dünnschichtsystems (20) erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fläche F des Dekorrelationsgebiets (10) durch die Ausdehnung des Dünnschichtsystems (20) innerhalb der Schichtebene (E) oder durch die im Dünnschichtsystem (20) wirksam bestrahlte Fläche (A) nach oben begrenzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dauer τ des Laserpulses (P) im Bereich zwischen 1 fs und 1 ns liegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichte ρ_sk der Skyrmionen (S) über eine magnetische Feldstärke B_z einer das Dekorrelationsgebiet (10) senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes (B) während des Bestrahlens eingestellt wird.
5. Verwendung mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bereitgestellter dekorrelierter Skyrmionen (S) für die stochastische Datenverarbeitung.
6. Skyrmionen-Dekorrelator, umfassend: ein zur optisch induzierten Ausbildung von Skyrmionen (S) geeignetes ferro-, ferri- oder antiferromagnetischen Dünnschichtsystem (20) mit einer senkrechten oder nahezu senkrechten magnetischen Anisotropie; und einen Laser (30) zum Bestrahlen eines Dekorrelationsgebiets (10) des Dünnschichtsystems (20); dadurch gekennzeichnet, dass eine Bereitstellung dekorrelierter Skyrmionen (S) im Dekorrelationsgebiet (10) mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche erfolgt.
7. Skyrmionen-Dekorrelator nach Anspruch 6, weiterhin umfassend: ein Mittel zum Einbringen und Steuern einer magnetischen Feldstärke B_z einer das Dekorrelationsgebiet (10) senkrecht durchsetzenden Komponente eines äußeren Magnetfeldes (B).
8. Skyrmionen-Dekorrelator nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Dekorrelationsgebiet (10) als Abschnitt einer Streifenleitung (40) für Skyrmionen (S) oder als mit mindestens einer Streifenleitung (40) für Skyrmionen (S) verbundenes Reservoir (42) ausgebildet ist.
9. Skyrmionen-Dekorrelator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Dünnschichtsystem (20) eine Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung aufweist oder es sich bei dem Dünnschichtsystem (20) um eine Co/Pt-Multilagenschicht handelt.
10. Skyrmionen-Dekorrelator nach einem der Ansprüche 7 bis 9, weiterhin umfassend ein Mittel zum Auslesen der Dichte ρ_sk der Skyrmionen (S) im Dekorrelationsgebiet (10).

Images