DE1524786A1

DE1524786A1 - Magnetische Speicheranordnung

Info

Publication number: DE1524786A1
Application number: DE19671524786
Authority: DE
Inventors: Siegfried Methfessel; Louis Helmut Peter
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-05-26
Filing date: 1967-05-18
Publication date: 1970-10-08
Also published as: FR1518365A; GB1112459A; US3475738A

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. H. E. BÖHMER

703 BÖBLINGEN S INDELKINGER STRASSE 49 FERNSPRECHER (07031) 66130*0

Böblingen, 12. 5. 1967 pr-hn

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y, 10 504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket 10 922 Magnetische Speicheranordnung

Die Erfindung betrifft eine magnetische Speicheranordnung aus einer parallel zu einer ihrer Flächen remanent magnetisierbaren speichernden ferromagne tischen Schicht, die zur Abtastung mittels eines linear polarisierten Lichtstrahls, dessen Polarisationsebene in Abhängigkeit vom Magnetisierungszustand des jeweils abgetasteten Bereichs gedreht wird, bestimmt ist.

Es ist bekannt, Informationen auf dünnen, magnetisierbaren Schichten durch Aufprägen bestimmter Magnetisierungszustände an den den einzelnen Bits zugeordneten Stellen aufzuzeichnen. Das Ablesen dieser Informationen erfolgt durch über diese Schichten bewegte Magnetköpfe, in deren Wicklungen bei einer Relativbewegung zwischen Aufzeichnungsträger und Spalt des Magnetkopfes Ströme induziert werden, de-

0 0 9 8 U / U 1 2

152*786

-Z-

ren Größe und Richtung vom magnetischen Zustand des betreffenden Bereichs abhängen. Ein Nachteil dieses Ableseverfahrens liegt darin, daß das Auflösungsvermögen durch die Breite des Magnetspaltes des Magnetkopfes, die aus technologischen Gründen nicht beliebig klein gemacht werden kann, begrenzt ist. Ein weiterer Nachteil besteht im starken Abrieb der Köpfe und des Trägermaterials, insbesondere bei hohen Ablesegeschwindigkeiten, bei denen zur Sicherstellung eines möglichst konstanten Abstandes zwischen Magnetkopf und Aufzeichnungsträger besonders eng tolerierte Führungselemente vorzusehen sind.

In letzter Zeit wurde die Bedeutung optischer Ablesemethoden für magnetisch gespeicherte Informationen immer mehr erkannt, was in einer Vielzahl von Vorschlägen zum Ausdruck kam.

So wird beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 174 140 ein Strahl linear polarisierten Lichtes auf den magnetisierbaren Aufzeichnungsträger gerichtet. Bei Vorliegen eines magnetisierten Bereiches wird die Polarisationsebene des Lichtes auf Grund des Kerreffektes gedreht, so daß das Licht zu einem aus einem Analysator und einer Photozelle bestehenden Anzeigeelement gelangen kann. Der magnetisierbare Aufzeichnungsträger ist bei dieser Anordnung mit einer durchsichtigen Schicht überzogen. Durch eine mehrfache

0 0 9 8 U 1 / U 1 2

Docket 10 922

Reflexion in dieser Schicht wird der Lichtstrahl wiederholt an der magnetisierbaren Schicht reflektiert, so'daß seine Polarisationsebene wiederholt auf Grund des Kerreffektes gedreht wird.

In der US-Patentschrift 3 167 751 wird eine optische Anordnung zum Ablesen magnetischer Aufzeichnungen beschrieben, bei der der magnetisierbare Aufzeichnungsträger mit einer durchsichtigen Schicht bedeckt ist, durch die zum Zwecke der Abtastung eine Zwischendomänenwand verschoben wird. Die dabei auftretenden Veränderungen werden durch einen polarisierten Lichtstrahl abgetastet, dee sen Polarisationsebene durch den Kerreffekt oder durch den Faraday-Effekt gedreht wird.

In der Deutschen Patentanmeldung J 33 392 wird ein Informationsträger mit einer auf einer spiegelnden Schicht aufgebrachten durchsichtigen magnetisierbaren Speichers chi cht beschrieben, die beispielsweise aus Europium- Oxyd, Europium-Chalcogenid oder aus Granat besteht, und in der die Polarisationsebene des linear polarisierten Lichtes bei der mehrfachen Reflexion durch den Faraday-Effekt gedreht wird, wenn ein magnetisierter Bereich abgetastet wird,

Die oben beschriebenen Anordnungen haben den Nachteil, daß die Polarisationsebene mit vertretbarem technischen Aufwand nur um relativ kleine Winkel gedreht werden konnte, was den technischen

0098-: 1 / U 1 2

152A786

Aufwand bei den Anordnungen zur Auswertung dieser Drehung stark erhöht oder die Sicherheit und Verläßlichkeit der Ablesung in unzulässiger Weise herabsetzte.

Wird die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahles beim Durchtritt durch eine durchsichtige, magnetisierte magnetooptische Substanz gedreht, so handelt es sich um den Faraday-Effekt.

an

Wird die Lage der Polarisationsebene bei der Reflexion der Oberfläche einer magnetisierten magneto optischen Substanz gedreht, so handelt es sich um den Kerreffekt, Es gibt verschiedene Arten von Kerreffekten, die von der Richtung der Magnetisierung in bezug auf die Lage der reflektierenden Fläche und von der Richtung des Lichtstrahles abhängen. Von besondere!· Wichtigkeit ist in diesem Zusammenhang der longitudinale Kerrsffekt, der immer dann vorliegt, wenn das linear polarisierte Licht an der Fläche einer Substanz reflektiert v/ird, die in einer Richtung magnetisiert ist, parallel zu ihrer Fläche und in der Einfallsebene des Lichtstrahls liegt. Das Ausmaß der Drehung der Polarisationsebene hängt in allen Fällen von dem magnetischen Zustand der Substanz ab, auf die der Lichtstrahl fällt.

Die im folgenden verwendete Bezeichnung ^!lMagnetooptische Substanz" betrifft eine magnetische Substanz, die im magnetisierten Zustand die Eigenschaft., hat, den Polarisations zustand des durchgelassenen oder- des -reflektierter. Lichtes als Funktion ih~

0G33&1/U12

rer Magnetisierung zu verändern. Eine für eine Anordnung zur magnetischen Speicherung und optischen Auslesung optimal geeignete Substanz muß eine Vielzahl von Eigenschaften aufweisen, die in den bekannten Materialien nur zum Teil vorliegen. Zum Zwecke der magnetischen Speicherung sollte die Substanz hohe Remanenz, möglichst niedrige Koerzitivkraft (für bestimmte Anwendungen 1 bis 2 Oersted, für andere Anwendungen Werte in der Größenordnung von 100 Oersted) ein hohes Verhältnis zwischen remanenter Flußdichte und Sättigungs-Flußdichte (rechteckige Hystereseschleife und geringes Kriechen) aufweisen. Zum Zwecke des optischen Auslesens sollte die Substanz in der Lage sein, bei nicht allzu hoher Magnetisierung, die Polarisationsebene in nicht zu geringem Umfange zu drehen, so daß die Drehung mit einfachen Mitteln festgestellt werden kann.

Bei Verwendung des Faraday-Effektes sollte die Substanz für das polarisierte Licht durchlässig sein. Für viele Anwendungen wird dem Faraday-Effekt der Vorzug gegeben, da er eine größere Drehung erzeugt als der Kerreffekt. Bei den bisher bekannten Substanzen können die oben angegebenen magnetischen und optischen Eigenschaften nicht bei ein und derselben Substanz verwirklicht werden. Den Anforderungen in bezug auf die magnetischen Eigenschaften kann durch die bekannten ferromagnetischen Substanzen, insbesondere durch die Nickel-Eisen-Legie-

009841/1 Λ 12

rungen (Permalloy) oder durch Ferrite Genüge getan werden, bei diesen Substanzen fehlt aber ein ins Gewicht fallender Kerreffekt, Sind sie dünn genug, um durchsichtig zu sein, so ist die erzielbare Faraday-Drehung ungenügend. Zur Erhöhung der durch den Kerreffekt bewirkten Drehung wurde schon vorgeschlagen, die ferromagnetische, speichernde Substanz beispielsweise mit einer durchsichtigen isolierenden diamagnetischen Substanz zu überziehen, die den Kerreffekt der speie rnden Schicht erhöht. Es wurde weiterhin vorgeschlagen, die ferromagnetische speichernde Substanz mit einer durchsichtigen paramagnetischen Substanz (beispielsweise Cerium-Glas) zu überziehen, die mit den magnetisierten Bereichen der speichernden Schicht, beispielsweise durch magnetische Streufelder/ magneto statisch gekuppelt ist. Mit keinem dieser Verfahren war es möglich, den Kerreffekt in eine¹¹¹ zum Ablesen magnetisch gespeicherter Informationen geeigneten Umfang zu vergrößern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine magnetische Speicheranordnung mit magnetooptischer Auslesung anzugeben, die sich durch die Kombination guter magnetischer Speicherung und guter magnetooptischer Auslesung auszeichnet.

Die vorliegende Erfindung baut auf der Entdeckung auf, wonach ein reflektierendes, hoch remanentes ferromagnetisches Metall

0 0 9 8 l* 1 / U 1 2

beispielsweise Permalloy, das mit einer, mit ihm magnetisch austauschgekuppelten durchsichtigen, halbleitenden ferromagnetisehen Schicht, beispielsweise einem Chalcogenid seltener Erden, überzogen ist sind, eine Drehung der Polarisationsebene erzeugt, deren Größe wesentlich über der mit den bekannten Anordnungen erzielbaren Größe liegt.

Die Bezeichnung ferromagnetisch wird im folgenden für Substanzen verwendet, deren durch Elektronenspinnen und Elektronenumlauf erzeugte magnetische Momente innerhalb definierter Bereiche parallel zueinander liegen. Insbesondere werden durch die oben genannte Bezeichnung auch die als "ferrimagnetisch" bezeichneten Substanzen, wie die Eisengranate seltener Erden, verstanden, bei denen die Magnetisierungen der verschiedenen Domänen oder Schichten durch antiparallele Anordnungen von zwei magnetischen Teilstrukturen erzeugt werden, wenn die Temperatur der Substanz so gewählt wird, daß die Magnetisierung der einen Teiistruktur gegenüber der der anderen überwiegend ist. Aus dem oben Ausgeführten ergibt sich, daß die Bezeichnung "ferromagnetisch" nicht auf Substanzen angewendet wird, in denen die magnetischen Momente willkürlich ohne jede definierte Domänenstruktur verteilt sind, wie das beispielsweise bei "paramgnetischen" Materialien bei normalen Temperaturen oder bei ferromagnetischen Substanzen bei Temperaturen der

0 0 9 8 L 1 / 1 L 1 2

Fall ist, die oberhalb der "Curietemperatur" der Substanz liegen. Ein im Sinne der oben gemachten Ausführungen ferromagnetisches Material muß im Ruhezustand eine spontane Gesamtmagnetisierung aufweisen können. Die magnetische Hysterese ist eine charakteristische Eigenschaft derartiger Substanzen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: die perspektivische Darstellung einer magnetooptischen Spei ehe ranordnung, bei der die vorliegende Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 2: die sehe ma, ti sehe Darstellung einer ferromagnetischen Substanz im entmagnetisierten Zustand, die charakterisiert wird durch eine beliebige Verteilung der einzelnen rnagnetisehe«. Domänen,

Fig. 3: die schematische Darstellung einer ferromagnetischen Substanz im niagnetisierten Zustand, die sich im wesentlichen wie eine einzige magnetische Domäne verhält,

Fig. 4; die schematisehe Darstellung der molekularen Struktur

0 0 9 8 U 1 / 1 L 1 2

und des magnetischen Verhaltens eines sich im magnetisierten Zustande befindlichen ferromagnetischen Halbleiters, beispielsweise Europium-Oxyd,

Fig. 5: die graphische Darstellung der Hystereseschleife einer ferromagnetischen Substanz mit guten Speichereigenschaften,

Fig. 6: die Darstellung eines Ausschnitts aus einer magnetooptischen Speicheranordnung, die aus einer durchsichtigen, ferromagnetischen Halbleiterschicht besteht, die mit einer ferromagnetischen, metallischen, speichernden Substanz gemäß der vorliegenden Erfindung magnetisch austauschgekuppelt ist,

Fig. 7: die schematische Darstellung einer paramagnetischen Substanz im entmagnetisierten Zustand,

Fig. 8: die Darstellung eines Ausschnittes aus einer bekannten magnetooptischen Speicheranordnung, die aus einer durchsichtigen paramagnetischen Substanz besteht, die magnetostatisch mit einer ferromagnetischen Speichersubstanz gekuppelt ist.

0098A 1 / U1 2

In Fig. 1 wird eine durch einen verschiebbaren Lichtstrahl adressierbare Speicheranordnung wiedergegeben. Die eigentliche Speicheranordnung 10 besteht aus einer speichernden Schicht 12 und aus einer magnetooptischen Schicht 14. Die speichernde Schicht/!2 besteht aus einer dünnen Schicht aus ferromagietischem Material, beispielsweise aus einer aus einer Nickel-Eisen-Legierung bestehenden Schicht, die eine lichtreflektierende Fläche hat. Die lichtreflektierende Fläche der speichern van Schicht 12 ist von einer durchsichtigen magnetooptischen Schicht 14 bedekfct, deren Eigenschaften im folgenden beschrieben werden. Parallel zur Spei eherschicht 12 ist eine Anzahl senkrecht zueinander angeordneter Koordinatenleiter 16 und 18 angeordnet. Durch gleichzeitige Erregung bestimmter Kombinationen dieser Leiter können in den durch die Kreuzungspunkte der jeweils erregten Leiter definierten Bereichen Daten magnetisch gespeichert werden. Die Funktion einer Anordnung , bei der die Schicht 12 aus einer Nickel-Eisen-Legierung mit einer einachsigen Anisotropie der Magnetisierung besteht, ist bekannt. An jedem, durch den Kreuzungspunkt jeweils eines Leiters 16 und 18 definierten Bitspeicherplatz, weist die Substanz 12 eine remanente Magnetisierung auf, die in einer von beiden Richtungen ihrer "leichten" Magnetisierungsachse liegt, um eine binäre "Eins" oder eine binäre "Null" darzustellen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die magnetooptische

009841 / 1 412

Schicht 14 aus einem durchsichtigen ferromagne ti sehen Halbleitermaterial, das im magnetisieren Zustand die Polarisationsebene eines durchtretenden Lichtstrahls B um einen bestimmten Winkel dreht. Die Schicht 14 kann aus einem Chalcogenid seltener Erden, beispielsweise aus Europium-Oxyd (EuO), Europium Sulfid (EuS), Europium-Selenid (EuSe) oder Europium-Tellurid (EuTe) bestehen. Die Schicht 14 muß selbstverständlich bei einer Temperatur betrieben werden, die unterhalb ihres Curiepunktes liegt, damit sie ferromagnetische Eigenschaften aufweisen kann. Es ist auch möglich, die magnetooptische Schicht 14 aus einem ferrimagnetischen Material herzustellen, vorausgesetzt, daß die Anordnung bei einer Umgebungstemperatur verwendet wird, die wesentlich von ihrer magnetischen Kompensationstemperatur abweicht, und wesentlich unterhalb des Curiepunktes liegt, so daß die Substanz eine spontane Gesamtmagnetisierung aufweisen kann. Bestimmte Eisengranate seltener Erden, beispielsweise GaSolinium-Eisen-Granat, gehören zu dieser Klasse ferrimagnetischer Substanzen.

Bevor auf die Beschreibung der in Fig. 1 dargestellten Anordnung näher eingegangen wird, soll erläutert werden, was im folgenden unter der Bezeichnung "ferromagnetisch" verstanden wird. In einem magnetische Eigenschaften aufweisenden Material werden atomare magnetische Momente durch die Umlaufbewegungen und

den Spinn der Elektronen erzeugt. In einem ferromagnetischen Material haben die atomaren magnetischen Momente das Bestreben, bei einer Temperatur unterhalb des Curiepunktes sich innerhalb bestimmter mikroskopischer, als Domänen bezeichneter Bereiche parallel zueinander auszurichten; Fig. 2 stellt im stark vergrößerten Maßstab die verschiedenen Ausrichtungen der atomaren magnetischen Momente 20 innerhalb ihrer Domänen (begrenzt durch die Domänenwände 22) in einem ferromagnetischen Material 12, beispielsweise in einer Nickel-Eisen-Legierung dar, das sich im entmaijgetisierten Zustand befindet. Die effektive Magnetisierung jeder Domäne wird in Fig. 2 durch einen großen Pfeil 24 dargestellt, der die Summe der Wirkungen der ausgerichteten atomaren Elemente 20 innerhalb der betreffenden Domäne wiedergibt. Ist das ferromagnetische Mateii al im entmagnetisierten Zustand, so sind die verschiedenen Domänen, wie in Fig. 2 dargestellt, willkürlich ausgerichtet, so daß sich ihre wirksamen Magnetisierungen gleichzeitig aufheben und die Gesamtmagnetisierung des Körpers gleich Null ist.

Fig. 3 stellt in einem stark vergrößerten Maßstab den Zustand in einem bestimmten Bitspeicherplatz des ferromagnetischen Materials dar, wenn es sich im magnetisierten Zustande befindet. In diesem Fall sind alle atomaren Momente inerhalb des besagten Bereiches im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet, so

0098^1 / U1 2

daß das in diesem Bereich befindliche ferromagnetische Material sich wie eine einzige magnetische Domäne verhält, wobei die sich ergebende Magnetisierung durch einen großen Pfeil 24 wiedergegeben wird. Die Domänenwände 22 in der Darstellung nach Fig. 2 verschwinden, wenn das Material, wie in Fig. 3 dargestellt, in einer Richtung magnetisiert wird. Diese Wände bilden sich erst, wenn das Material aus irgendeinem Grund anfängt, seine in einer Richtung verlaufende Magnetisierung zu verlieren.

Im folgenden sei angenommen, daß eine Magnetisierungsart vorliegt, in der die magnetischen Momente im wesentlichen parallel zur Oberfläche der speichernden Schicht ausgerichtet sind.

In der in Fig. 1 dargestellten magnetooptischen Schicht 14, die aus einem ferromagnetischen halbleitenden Material, beispielsweise aus einem Europium-Chalcogenid besteht, kann die molekulare Struktur die in Fig. 4 dargestellte Form haben, wobei die vollen Kreise 28 Europium-Atome (genauer gesagt Europium-Ionen) und die leeren Kreise 30 Atome oder Ione des Chalcogens, beispielsweise des Sauerstoffs darstellen. Jedes Europium-Atom 28 hat ein magnetisches Moment 32. Liegt die Temperatur der Substanz genügend weit unter der Curietemperatur (beispielsweise 72 K für Europium-Oxyd) so werden die magnetischen Momente 32 bestrebt sein, wenigstens innerhalb der Grenzen

009841/1U12

der einzelnen Domänen sich parallel zueinander auszurichten. Die Chalcogen-Atome 30 tragen keine magnetischen Momente zur Gesamtmagnetisierung bei.

Eine aus einem ferromagnetischen Halbleiter bestehende magnetooptische Schicht 14 hat gegenüber einer lichtdurchlässigen ferromagnetischen Metallschicht den Vorteil, daß die Halbleiter schicht Licht bestimmter Wellen nur in geringem Umfange absorbiert. Die optische Aktivität innerhalb der durchsichtigen Schicht 14 ist der Faraday-Effekt, da die Schicht 14 das Licht in weit stärkerem Maße durchläßt als daß sie es reflektiert. Dagegen findet an der lichtreflektierenden Oberfläche der metallischen Schicht 12 der Kerreffekt statt, .,der sich in einer Drehung der Polarisationsebene des reflektierten Lichtes auswirkt. Wie schon erwähnt, ist der Kerreffekt eine dem Faraday-Effekt verwandte Erscheinung, bei der das Licht eine dünne Schicht von molekularem Ausmaß des reflektierenden Materials durchsetzt, bevor es reflektiert wird. Bei diesem Durchtritt durch die dünne Schicht des reflektierenden Materials wird die Polarisationsebene des Lichtes geringfügig gedreht.

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung kann die Speicheranordnung 10 während des Auslesens durch einen linear polarisierten Lichtstrahl B adressiert werden, der durch noch zu beschreibende

0 0 9 8 4 1 / U 1 2

Mittel steuerbar so verschoben werden kann, daß er auf einen bestimmten Bitspeicherbereich der magnetischen Speicher.schicht gerichtet wird. Dabei durchsetzt der Strahl B die durchsichtige magnetooptische Schicht 14. Nachdem der Lichtstrahl an der Schicht 12 reflektiert wurde, durchsetzt er erneut die Schicht 14, die im vorliegenden Beispiel aus einem Europium-Chalcogenid besteht, und verläßt sie als Strahl B¹, der in vereinfachter Darstellung als aus linear polarisiertem Licht bestehend betrachtet werden kann, dessen Polarisationsebene in bezug auf die Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls B um einen bestimmten Winkel gedreht wurde. Die kristalline Struktur der Schicht 14 ist derartig, daß die Europium-Atome bestrebt sind, einen zweiwertigen Zustand einzunehmen (angedeutet durch die symbolische Schreibweise Eu++), und daß diese Europium-Ionen bestrebt sind, die Polarisationsebene des die Schicht 14 durchsetzenden linear polarisierten Lichtes zu drehen. Die Richtung dieser Drehung hängt von der Ausrichtung der magnetischen Momente 32 ab. Sind diese Momente 32 willkürlich ausgerichtet, was z. B. dann der Fall ist, wenn die Temperatur des Materials über seinen Curiepunkt ansteigt, und wenn keine Ausrichtung der atomaren magnetischen Momente durch ein angelegtes magnetisches Feld entsteht, so wird die Schicht 14 die Polarisationsebene des sie durchsetzenden Lichtstrahles nicht drehen. Ausgenommen sind natürlich Änderungen des Polarisationszustandes auf

0098^1 /H12

Grund von Reflexionen an den Oberflächen und durch gegebenenfalls vorliegende Drücke, wie sie oft bei durchsichtigen Materialien beobachtet werden. Ist der vom Lichtstrahl durchsetzte Teil der Schicht 14 jedoch in einer Richtung magnetisiert, dann wird die Polarisationsebene des Lichtstrahls 14 beim Durchtritt durch diese Schicht eine WinkeIdrehung erfahren.

Die. magnetooptische Schicht 14 muß außer den Eigenschaften, die eine Drehung der Riarisationsebene bewirken, auch noch bei kleinen oder mittleren Einfallwinkeln schlecht reflektierend sein und einen geringen optischen Absorptionsfaktor aufv/eisen. Obwohl die Schicht 14 aus einem ferromagnetischen Material bestehen muß, das Hysteresiseigenschaften hat, muß es nicht wie die in Fig. 5 dargestellte Hystereseschleife des Speichermediums 12 eine rechteckige Hystereseschleife aufweisen.

Die in Fig, 5 wiedergegebeae Kurve stellt die Hysteresiskurve eines ferromagnetische!! Materials dar, das zur Speicherung von digitalen Informationen geeignet ist. Das Speicherelement 12 in der Fig. 1 dargestellten Anordnung besteht aus einem derartigen Material. Fig, 5 zeigt das Verhältnis zwischen der Magnetisierung M und der magnetischen Feldstärke H, die entlang einer bestimmten,; durch die magnetischen Anisotropien des Materials bestimmten und als bevorzugte oder leichte Mag-

0098^1 / UI 2

netisierungsachse bezeichneten Richtung angelegt wird. Im Ruhezustand, d. h. bei Fehlen einer äußeren Erregung, befindet sich das Material in einem stabilen Grenzzustand der remanenten Magnetisierung M , der durch den Punkt 36 dargestellt wird, oder im entgegengesetzten remanenten Grenzzustand der Magnetisierung -M , der durch den Punkt 38 der Hysteresiskurve dargestellt wird. Die beiden Punkte 36 und 38 stellen die entgegengesetzten remanenten Magnetisierungs zustände entlang der "leichten" Achse des ferromagnetischen Materials dar. Der Einfachheit halber werden diese beiden Zustände als der positive und der negative stabile Zustand bezeichnet.

Verändert sich das angelegte Feld H in positiver Richtung von Null zu einem Maximalwert, der die Koerzitivkraft H des ferromagnetischen Materials wesentlich übersteigt, um dann wieder zum Wert Null zurückzukehren, so wird die Magnetisierung M des Speichermaterials zuerst den positiven Sättigungswert M annehmen, um anschließend um einen kleinen Betrag auf den Wert der positiven remanenten Magnetisierung M , dargestellt durch den Punkt 36, zurückzukehren. Verändert sich die angelegte Feldstärke H vom Wert Null zu einem. Maximalwert, der die Koerzitivkraft -H übersteigt, um dann zum Wert Null zurückzukehren, so wird die Magnetisierung der Speichersubstanz zuerst den negativen Sättigungswert -M

0 0 9 8 A 1 / 1 A 1 2

erreichen und dann zu demdürch den Punkt 38 dargestellten Zustand der negativen remanenten Magnetisierung -M zurückzukehren. Bei dieser Beschreibung wurde angenommen, daß die Speicher substanz veränderlichen magnetischen Feldern ausgesetzt wurde, die entlang ihrer "leichten" Achsen liegen, so daß die Magnetisierungszustände der Substanz sich durch einen Vorgang verändern, der durch Domänenwandbewegung verursacht wird. Dieser Vorgang wird in Fi«_a 5 graphisch dargestellt.

Im praktischen Betrieb ist es vorteilhafter, die Magnetisierung eines ferromagnetischen Speicherfilms durch ein Verfahren zu verändern, das unter der Bezeichnung "Orthogonalfeld um schaltung" oder "Rotationsumschaltung" bekannt ist. Dabei wird kurzzeitig ein Transversalfeld entlang der sogenannten "schweren Achse" des Materials, die senkrecht zur leichten Achse liegt, angelegt, um alle magnetischen Elemente, dargestellt durch die in Fig. mit 20 und 24 bezeichneten Elemente vorübergehend in eine Richtung umzulenken, die rechtwinklig zur leichten Achse liegt. Anschließend wird kurz vor dem Zeitpunkt der Beendigung des transversalen Feldes ein anderes Feld angelegt, das in einer bestimmten parallel zur leichten Achse liegenden Richtung liegt. Das zuletzt genannte Feld wird für einen bestimmten Zeitraum über die Dauer des transversalen Feldes hinaus aufrecht erhalten, so daß die magnetischen Elemente der Substanz in die

Q09841/U12

1524/86

gewünschte Richtung der leichten Achse überführt werden. Durch selektive Erregung der Koordinatenleiter 16 und 18 nach Fig. wird diese Senkrechtfeld-Umschaltung angewendet, um digitale Informationen in die ferromagnetische Substanz 12 magnetisch einzuschreiben. Um optimal zur Speicherung von digitalen Informationen geeignet zu sein, sollte eine ferromagnetische Speichersubstanz folgende Eigenschaften aufweisen:

1. Einen hohen Wert der remanenten Magnetisierung M .

2. Ein hohes Verhältnis zwischen remanenter Magnetisierung M und der Magnetisierung M , die das Material im ge-

Γ S

sättigten Zustand aufweist, so daß eine rechteckige Kurve gemäß Fig. 5 zustande kommt.

3. Eine nicht zu hohe Koerzitivkraft H (I oder 2 Oersted in magnetischen dünnen Filmen oder in der Größenordnung von 100 Oersted in Magnetbändern).

4. Geringe Kriechneigung, d. h. eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Störungen durch magnetische Streufelder oder gegenüber Halbstromwählimpulsen in den Koordinatenleitungen.

0 0 9 8 L 1 / 1 L 1 2

Zur Zeit ist keine ferromagnetische Substanz mit den oben angegebenen Eigenschaften bekannt, die gleichzeitig die Polarisationsebene eines linear polarisierten Lichtstrahles um einen relativ großen Winkel dreht. Bevor daher eine derartige Substanz in einem optisch auszulesenden Speicher verwendet wird, muß sie mit einer zweiten Substanz kombiniert werden, die die Eigenschaft der eigentlichen speichernden Substanz, eine optische Drehung hervorzurufen, vergö(rßert. Dies wird erfindungsgemäß bei einer Anordnung nach Fig. 1 vorgeschlagen, um die Eigenschaft der optischen Drehung der ferromagnetischen Substanz 12 dadurch zu erhöhen, daß sie mit einer magnetooptischen Schicht 14 kombiniert wird, die aus einem durchsichtigen ferromagnetischen Halbleiter, beispielsweise aus einem Chalcogenid seltener Erden oder einem Granat seltener Erden besteht, die bei einer Temperatur betrieben wird, in der sie die ferromagnetischen Eigenschaften aufweist.

Es ist übliclis die magnetooptische Drehung durch eine Substanz durch eine Konstante zu kennzeichnen, die ein Maß für die Faraday-Drehung istj die in einer Schicht der Substanz mit einer Dicke erzeugt wird, in der die übertragene Lichtenergie um 1 Dezibel geschwächt wird, Da der Kerreffekt dem Faraday-Effekt zugeordnet ist, und beide als die magnetooptische Aktivität bezeichnet werden, ist diese Konstante in gleicher Wei-

009841/1A12

se ein Hinweis auf die Kerrdrehung. Diese Konstante ist bei ferromagnetischen Metallen sehr niedrig. Beispielsweise hat magnetisch gesättigtes Eisen eine Konstante von 0, 7 Drehung für einen Verlust von 1 Dezibel der optischen Energie. Andererseits hat ein ferromagnetischer Halbleiter wie EuO, EuS oder EuSe eine Drehungskonstante in der Größenordnung von 800 je Dezibel optischer Verluste; das ist etwa lOOOmal mehr als die Drehungskonstante des Eisens. Daraus läßt sich erklären, daß ferromagnetische Metalle, obwohl ausgezeichnet für Speicher zwecke geeignet, notgedrungen für die optische Auslesung dieser Informationen nicht geeignet sind, da bei ihnen die Absorption der optischen Energie so groß ist, daß die mit ihnen erreichbare Drehung der Polarisationsebene unterhalb der Grenze der Beobachtbarkeit liegt. Obwohl Eisen oder Nickel im gesättigten Zustand theoretisch in der Lage wären, eine Faraday-Drehung von rund 500 000 je cm zu erzeiigen, sind diese Substanzen für die oben angegebenen Zwecke nicht geeignet, da bei ihnen die Absorption der optischen Energie so

_5
groß ist, daß selbst Dicken von 10 cm für praktische Zwecke zu wenig Licht durchlassen. Andererseits kann ein Europium-Chalcogenid in seinem magnetisch gesättigten Zustand und bei einer Temperatur unter dem Curiepunkt eine Faraday-Drehung von 160 000 je cm erzeugen, wobei zu beachten ist, daß seine Drehungskonstante ungefähr 800 /Dezibel ist.

00984 1/H12

Bei der Verwendung ferromagnetischer Halbleiter als Mittel zur magnetooptischen Drehung müssen die Wellenlängen der übertragenen Strahlung oberhalb der Absorptionskante des Materials in seinem magnetisch gesättigten Zustand liegen, wenn eine ungestörte Übertragung des Lichtes verlangt wird. Licht mit Wellenlängen unterhalb der Absorptionskante wird im wesentlichen nicht durchgelassen. Die Absorptionskanten von EuO, EuS und EuSe liegen beispielsweise bei 11 000 Angström, 7 500 Angström und 6 700 Angström. Soll beispielsweise, was im vorliegenden Fall besonders vorteilhaft ist, ein optischer Sender oder Verstärker als Lichtquelle verwendet werden, so muß die von ihm gelieferte Strahlung eine Wellenlänge haben, die oberhalb der Absorptionskante des als magnetooptische Substanz verwendeten Halbleiters liegt. .

Wie aus Fig. 6 ersichtlich, weist die beispielsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung bestehende Schicht 12 eine reflektierende Fläche 40 auf, auf der die aus einer magnetooptischen Substanz bestehende Schicht 14 angeordnet ist. Die beiden Schichten 12 und 14 liegen dabei so eng aneinander, da/3 der parallel zur Fläche 40 in einem beliebigen Bereich der Speicherschicht 12 liegende Vektor M der remanenten Magnetisierung im benachbarten Bereich der magnetooptischen Schicht 14 durch Austauschkupplung eine ähnliche Magnetisierung M¹ erzeugt,

009841/1/* 12

wobei die beiden magnetischen Vektoren M und M¹ in die gleiche, parallel zur reflektierenden Fläche 40 liegende Richtung weisen. Die Fläche 40 soll im wesentlichen eben sein und eine so hohe Reflexion aufweisen, wie sie bei den verwendeten Materialien verwirklicht werden kann. Die durchsichtige magnetooptische Schicht 14 ist bei kleinen oder mittleren Einfallwinkeln schlecht reflektierend und hat eine geringe Absorption, so daß sie den einfallenden Strahl B im wesentlichen ohne Verluste bis zur reflektierenden Fläche der speichernden Schicht 12 durchläßt, wo der Strahl durch die Schicht 14 zurückreflektiert wird, um als Strahl B' auszutreten. Der Lichtstrahl wird beim Eintritt und beim Austritt aus der Schicht 14 geringfügig gebrochen.

Die durch den Pfeil 4-2 in Fig. 6 dargestellte Polarisationsebene des austretenden Lichtstrahls B¹ ist in bezug auf die durch den Pfeil 44 dargestellte Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahles B um den Winkel 0 auf Grund der Kombination der Wirkungen der in gleicher Richtung liegenden Magnetisierungsvektoren M¹ und M in den Schichten 14 und 12 gedreht. Die Größe und die Richtung dieser Drehung hängen von der Größe und der Richtung der Magnetisierungsvektoren in den beiden Schichten 12 und 14 ab. Sind diese beiden Schichten magnetisch austauschgekuppelt, wie das beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fall ist, und weisen ihre jeweiligen Vektoren

0 0 9 8 ^ 1 / ¹ ■·- 1 2

M und M' in die gleiche Richtung, so wird die sich ergebende Drehung der Polarisationsebene verhältnismäßig groß sein. Die Dicke der durchsichtigen ferromagnetischen Halbleiter schicht 14 wird dabei zweckmäßigerweise so gewählt, daß eine zusätzliche Erhöhung der magnetooptischen Drehung durch Interferenzeffekte erzielt wird.

In Fig. 1 wird in schematischer Weise eine Speicheranordnung mit magnetooptischer Anordnung dargestellt, bei der der Erfindungsgedanke Anwendung finden kann. Eine Lichtquelle 48 für kohärentes monochromatisches Licht, die beispielsweise als optischer Sender oder Verstärker ausgebildet sein kann, liefert einen zirkulär oder elliptisch polarisierten Lichtstrahl B ,

50
der nach Verlassen des Polarisatore als linear polarisierter Lichtstrahl B zur Verfügung steht, dessen Polarisationsebene senkrecht liegt. Der linear polarisierte Lichtstrahl B durchsetzt dann einen .elektrooptischen Lichtablenker 52, in der er unter der Wirkung der Steuereinheiten 54 und 56 in horizontaler und in vertikaler Richtung steuerbar abgelenkt werden kann, um auf eine bestimmte Stelle der Speicheranordnung 10 gelenkt zu werden. Die Ablenkung erfolgt durch an sich bekannte Mittel, die daher nicht näher beschrieben sind. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit und zur vei*mfachten Darstellung sind auch sonstige bekannte Hilfsmittel wie Linsen, Kollimatoren und

009841/1/. 12

Spiegel nicht dargestellt und beschrieben. Der aus der Ablenkanordnung 52 tretende Strahl B ist linear polarisiert und fällt auf . einen bestimmten Speicherplatz oder Speicherzelle der Speichermatrix 10, um die an dieser Stelle gespeicherte Information zu lesen. Es ist selbstverständlich auch möglich, den einfallenden Strahl B hintereinander eine ganze Anzahl von Bitspeicherzeilen ablesen zu lassen, wenn diese Art der Ablesung gewünscht ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird vom longitudinalen Kerreffekt Grbauch gemacht, bei dem der einfallende Strahl B an der Fläche der magnetischen Schicht 12 reflektiert wird, die in einer Richtung magnetisiert ist, die parallel zur besagten Fläche und in der Einfallebene des Strahls B liegt. Der Lichtstrahl B durchsetzt gemäß den Darstellungen in den Fig. 1 und 6 die magnetooptische Schicht 14, wird an der Fläche 40 der Speicher schicht 12 reflektiert, durchsetzt die Schicht 14 noch einmal und tritt aus ihr als reflektierter Strahl B' aus. Dabei wird er der Wirkung der zueinander parallel liegenden Magnet! sie rungs vektoren M und M' in den miteinander magnetisch austauschgekuppelten Schichten 12 und 14 ausgesetzt. Die genannten Vektoren liegen in der Einfallsebene. Der austretende Lichtstrahl B^r ist elliptisch polarisiert, wobei seine Hauptachse wesentlich größer als die Nebenachse ist, so daß angenommen werden kann, daß er in der Richtung der Hauptachse linear polarisiert ist. Die Polarisationsebene des austretenden Strahles, die

0 0 9 8 /» 1 / 1 A 1 2

in der Anordnung nach Fig. 6· durch den Pfeil 42 wiedergegeben wird, ist in bezug auf die durch den Pfeil 44 dargestellte Polarisationsebene des einfallenden Strahles um den Winkel θ gedreht, dessen Größe durch die Größe und die Richtung der Magnetisierungsvektoren M und M¹ bestimmt wird.

Um die Drehung der Polarisationsebene des vom ausgewählten Bereich der Speichermatrix 10 reflektierten Strahles festzustellen, ist im Wege des austretenden Strahles B^f ein Analysator 58 angeord-

Die
net. Durchlaßrichtung dieses Analysators ist so gelegen, daß er einen Strahl, dessen Polarisationsebene mit der senkrechten Richtung den Winkel θ einschließt ohne Verlust durchläßt. Der den Polarisator 58 durchsetzende Strahl B¹ gelangt zur lichtempfindlichen Anordnung 60 in der er ein geeignetes elektrisches Aus gangs signal erzeugt. Ist der Strahl B^r nicht in der richtigen Lage polarisiert, was das Fehlen einer gespeicherten Information anzeigt, dann überträgt der Analysator 58 nicht genügend Energie, um die lichtempfindliche Anordnung 60 zu erregen.

Die beschriebene Anordnung besteht demnach aus einem zweischichtigen magnetooptischen Speicherelement 10, bei dem eine ferromagnetische Speicherschicht 12 mit einer durchsichtigen ferromagnetic chen Halbleiter schicht 14 magnetisch austauschgekuppelt ist. Dabei wird es als besonders vorteilhaft ange-

0 0 9 8 4 1 / U 1 2

sehen, wenn die aus einem ferr oma gne tischen Material bestehende speichernde Schicht relativ dick ist, so daß eine relative große Magnetisierung aufgenommen werden kann, was andererseits zur Folge hat, daß diese Schicht undurchsichtig ist. Das hat zur Folge, daß der Faraday-Effekt nicht verwendet werden kann und nur der longitudinal Kerreffekt Anwendung findet. Das wesentliche Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Anwendung der magnetischen Austauechkupplung zwischen den Schichten IZ und 14, durch die der drehende Kerreffekt ganz wesentlich unterstützt wird.

Um eine magnetische Austauschkupplung zwischen den Schichten und 14 zu erreichen, ist es erforderlich, daß beide Schichten ferromagnetisch sind. Diese magnetische Austauschkupplung läßt sich mit einer paramagnetischen Substanz, beispielsweise mit Cer-Glas, bei dem die magnetischen Momente, wie in Fig. 7 dargestellt, in statistischer Umordnung nach allen Richtungen verteilt sind, nicht verwirklichen. In Fig. 8 ist eine Schicht 62 aus einem paramagnetischen Material neben einer aus ferromagnetischem Material bestehenden Schicht 64 angeordnet. Unabhängig wie eng diese beiden Schichten miteinander verbunden sind, läßt sich zwischen diesen beiden Schichten nur eine magnetostatische oder eine Streufeldkupplung herstellen, bei der die in den beiden Schichten einander gegenüberliegenden magnetischen Vektoren

00 9 8 A 1 / U12

M und M¹ antiparallel zueinander liegen. Durch diese Art der magnetischen Kupplung wird ein Kerreffekt erzeugt, der unter normalen Umständen für praktische Verwendungen unzureichend ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird der elektrooptische Kerreffekt in einer Weise erhöht, die mit bisher bekannten magnetooptischen Anordnungen nicht erreicht werden konnte.

Wird ein Europium-Chalcogenid· als durchsichtige ferromagnetische Schicht 14 verwendet, so muß diese Substanz bei einer Temperatur betrieben werden, die unterhalb ihres Curiepunktes liegt, der sich im Tieftemperaturbereich befindet. So liegt beispielsweise der Curiepunkt von EuO bei 72 K₁ der Curiepunkt für EuS bei 19°K und der Curiepunkt für EuSe bei 7°K. Wird eine aus Granat befctehende magnetooptische Schicht 14 verwendet, so muß sie betrieben werden

1. unterhalb ihres Curiepunktes, der bei etwa 500 K liegt,

2. bei einer Temperatur, die wesentlich verschieden

ist von ihrer Kompensationstemperatur, die beispielsweise für einen Gadolinium-Eisen-Granat ohne Zusätze bei 287°K liegt. Die Speicherschicht 12 muß ebenfalls unterhalb ihres Curiepunktes betrieben werden, die für eine Nickel-Eisen-Legierung bei etwa 1000 K liegt, während die normale Zimmertemperatur etwa 293 K beträgt.

Claims

- 29 - Böblingen, 12. 5. 1967 pr-hn PATENTANSPRÜCHE

1. Magnetische Speicheranordnung aus einer parallel zu einer ihrer

Flächen remanent magnetisierbar en, speichernden ferromagnetischen Schicht zur Abtastung mittels eines linear polarisierten Lichtstrahles, dessen Polarisationsebene in Abhängigkeit vom Magnetisierungszustand des jeweils abgetasteten Bereiches gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dieser Schicht eine mit ihr magnetisch austauschgekuppelte zweite ferromagnetische Schicht angeordnet ist, derart, daß der Magnetisierungs zustand eines Bereiches der ersten Schicht eine Magnetisierung gleicher Richtung im entsprechenden Bereich der zweitgenannten Schicht erzeugt, und daß mindestens eine dieser Schichten lichtdurchlässig ist.

2. Magnetischer Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige Schicht aus einem ferromagnetische Eigenschaften aufweisenden Halbleitermaterial besteht.

3. Magnetischer Speicher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der durchsichtigen Schicht zugewandte Fläche der speichernden Schicht reflektierend ist, und daß die durchsichtige Schicht auf Grund des Faraday-Effektes

0 0 9 8 A 1 / 1 h 1 2

die bei der Reflexion an der speichernden Schicht auftretenden Drehung der Polarisationsebene unterstützt.

4. Speicher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige ferromagnetische Schicht aus einem Chalcogenid seltener Erden besteht und auf einer wesentlich unterhalb ihrer magnetischen Curietemperatur liegenden Temperatur gehalten wird.

5. Magnetische Speicheranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige ferromagnetische Schicht aus Europium-Oxyd, Europium-Sulfid, Europium-SeIenid oder Europium-Tellurid besteht.

6. Magnetische Speicheranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige Schicht aus einem ferrimagnetischen Material besteht und bei einer Temperatur betrieben wird, die wesentlich unterhalb ihres Curiepunktes liegt und wesentlich von ihrer magnetischen !Compensations temperatur verschieden ist.

7. Magnetische Speicheranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durchsichtige Schicht aus einem Seltenen-Erden-Eisen-Granat besteht.

0 0 9 8 A 1 / 1 4 1 2

Leerseite