WO2011124479A1 - Method and arrangement for manipulating domain information stored in a magnetic medium - Google Patents

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Rudolf Schäfer
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Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for manipulating domain information stored in a magnetic medium, in which spin-polarized current pulses are passed through the medium
  • the invention is particularly applicable to magnetic data storage.
  • oppositely magnetized domains represent the information bits "0" and "1".
  • the conventional way to write these domains is to use external magnetic fields generated by a magnetic write head locally in the magnetic storage layer of the hard disk.
  • Kimel et al. [1, 2, 3, 4] have found and experimentally demonstrated an alternative way of writing domains and remagnetizing a magnetizable medium, which allows faster data writing.
  • the method is based on the inverse Faraday effect.
  • the conventional Faraday effect is based on a change of linearly polarized light when a magnetized, optically transparent ferro- or ferrimagnetic medium shows through. This change manifests itself primarily in a rotation of the polarization state of the light, which may be superimposed by ellipticity.
  • the corresponding effect in reflection on non-transparent materials is called the magneto-optical Kerr effect.
  • linearly polarized light consists of two circularly polarized partial waves of equal amplitude, which rotate in the opposite direction.
  • the two partial waves sense different refractive indices due to the magnetization of the medium and therefore propagate at different speeds. When leaving the medium, they thus unite to form a linearly polarized wave whose direction of oscillation is rotated in comparison to the incoming wave. If the two partial waves are also attenuated differently, the emerging light is elliptically polarized in addition to the rotation (circular dichroism).
  • the basic rule for generating a Kerr or Faraday rotation is: a rotation of light occurs when a non-vanishing magnetization component exists along the propagation direction of the reflected or transmitted light beam in the medium. Consequently, there is no Kerr or Faraday effect on perpendicular illumination of planar magnetized domains. Planar magnetised domains require an oblique light incidence.
  • This rule can be deduced from an alternative interpretation of the physical mechanism of the Kerr and Faraday effect, which is based on the Lorentz concept and attributes said effects to a gyrotropic interaction of the light with the magnetization. Accordingly, the illuminating light excites certain electrons of the magnetic medium to oscillating vibrations along the electric field E of the light wave.
  • the dipoles thus generated emit a normal-reflected wave with the vibration vector N. Due to the magnetization m of the medium, the vibrating electrons experience a Lorentz force if the cross product mx E is non-zero. The Lorentz force generates a secondary light component K, which is polarized perpendicular to N. Both eventually superimpose to a resulting wave that is rotated or elliptically polarized, depending on whether N and K are in-phase or phase-shifted. Kimmel et al.
  • the left- and right-circularly polarized light acts like a magnetic field of opposite direction. Furthermore, the optical excitation generates an ultrafast heating of the magnetic system, which makes it highly sensitive to the magnetic field caused by the circularly-polarized light pulses.
  • planar magnetised domains require an oblique incidence, while domains perpendicular to the medium surface can be repolarized at both oblique and vertical incidence.
  • the writing takes place in a purely optical way by illuminating the medium with circularly polarized light.
  • a method for recording and reproducing information for Bloch line memory [4a] The information is stored as Bloch lines in the domain walls of magnetic thin films.
  • the storage process is realized by means of a displacement of a domain wall between a first and a second potential well generated in the thin film.
  • Potential wells are heated by means of light pulses, so that a temperature gradient forms with respect to the remaining regions of the thin film, as a result of which the domain expands into the heated region. This is associated with a shift of the originally located at the first potential well
  • racetrack memory Another novel concept of magnetic data storage, the so-called “racetrack memory”, has been published by IBM [5, 6], which theoretically allows the conventional hard disks and flash memory used to date to be used
  • the racetrack memory should offer considerable advantages in terms of storage density and reading speed.
  • a conductor track grid made of a magnetizable medium which consists, for example, of U-shaped partial loops, is produced in the smallest possible space.
  • these tracks which have a width of about 50 nm, one can write by means of a write head magnetic domains of opposite polarization, which represent the bit information and which are separated by domain walls. If you send an electric current through the web, it is spin-polarized due to the magnetization of the medium.
  • the current interacts with the spin structure of the domain walls and sets them in motion at the same time. In this way, you can push the bit pattern of the trace on a read head and thus read.
  • the electrical voltage required to drive the domains through the track is proportional to the length of the track.
  • the current density must be correspondingly high in order to set the domain walls in motion.
  • a sheet of, for example, the ferromagnetic N i Fe alloy Permalloy having a length of 1 cm has an electrical resistivity of 5 ⁇ 10 "7 Ohm / m and requires a current density of 3 x 10 8 A / cm 2 at a voltage of 15 kV
  • the speed of the domain walls has been shown to be up to 1000 times slower than predicted, due to defects in and on the edge of the track, which hold and slow down the walls.
  • Racetrack memory profitably, one would have to produce highly-efficient traces in complex deposition and patterning process.
  • the invention has for its object to provide a method and an arrangement for manipulating domain information stored in a magnetic medium in which spin-polarized electrical current pulses are passed through the medium causing domain wall shifts based on the racetrack memory method in that a reduction in the current density and the electromigration is possible.
  • the method according to the invention is characterized in that, for the purpose of reducing the current density required for the domain wall displacement, the medium with polarized pulsed laser light makes use of the effect of an interaction between the magneto-optical radian effect and the generation of a torque is illuminated at the spin domain domain, where domains magnetized in the plane of the medium surface are illuminated at an incidence in vertical incidence and domains whose magnetization is oriented perpendicular to the medium surface.
  • Another essential feature of the invention is that the wavelength, the pulse duration and the fluence of the pulsed laser light are chosen so that no heat is introduced into the magnetic medium by the laser light, which would lead to a heating of the medium, which exceeds the through electrical current pulses generated heat goes out.
  • linearly polarized, elliptically polarized or circularly polarized pulsed laser light can be used.
  • a pulsed laser beam with a pulse duration in the picosecond or femtosecond range is used for illumination.
  • the wavelength in the range from 400 to 1400 nm, the pulse duration in the range from 10 to 100 femtoseconds and the fluence in the range from 0.1 mJ / cm 2 to 100 mJ / cm 2 are selected for the pulsed laser light.
  • the concrete parameters are to be selected within the scope of these ranges in such a way that a heat input into the magnetic medium is avoided.
  • the medium may, in addition to utilizing the effect of reversing the medium
  • Domain wall displacement required current density can be exploited.
  • the polarization direction or the direction of polarization of the laser light can also be changed during illumination.
  • the current-carrying magnetic medium can be operated with a current density of ⁇ 10 8 A mm 2 .
  • the method is particularly for the magnetic
  • the invention also includes an arrangement for manipulating domain information stored in a magnetic medium in which spin-polarized electrical current pulses are passed through the medium causing a domain wall shift.
  • This arrangement is characterized by a pulse laser source for illuminating a planar or vertically magnetized domain structure present in the medium with a polarized laser beam.
  • a pulse laser source a femtosecond or picosecond laser can be used.
  • a device for changing the polarization of the laser beam is advantageously arranged.
  • the device for changing the polarization of the laser beam can be any device for changing the polarization of the laser beam.
  • Phase shifter which causes an elliptical or circular polarization of the laser light.
  • a device for changing the focus of the laser beam can be arranged in the laser beam.
  • the laser beam can advantageously be directed onto the surface of the medium by means of a pivotable pulse laser source or by means of a mirror arrangement in a vertical or oblique incidence.
  • the arrangement is particularly for the magnetic
  • racetrack memories can be made much more effective, since one does not rely on the high-efficiency tracks.
  • the invention is based on a reversal of that discovered about 20 years ago
  • magneto-optical gradient effect [8].
  • the gradient effect can be used to detect changes in the magnetization. It is a magneto-optical
  • Birefringence effect occurring in planar-magnetized media when illuminated with linearly polarized light in planar magnetized perpendicular incidence media or obliquely incidence vertically magnetized media.
  • the reflected (or transmitted) light is transformed into elliptically polarized light due to the gradient effect.
  • Polarizing microscope is therefore the use of a phase shifter (eg a rotatable quarter-wave plate) is required, which is to be placed in front of the analyzer in the beam path.
  • the phase shifter With the phase shifter, the elliptical light can be linearized again and thus detected with the aid of the analyzer as light rotation.
  • With perpendicular illumination of planar domains neither a Kerr nor Faraday effect is possible (both require an oblique incidence in the case of planar magnetised domains), so that the gradient effect is effective independently of the mentioned effects. It manifests itself in a domain boundary contrast which causes the domain walls to appear in an alternating light-dark contrast, regardless of their actual magnetization rotation (see Fig. 2).
  • the contrast is determined by the magnetization directions of the domains immediately adjacent to a domain wall, or more specifically by the change in the magnetization (ie the gradient of the magnetization) across the domain wall.
  • the physical cause for this is, as with the Kerr and Faraday effect, the gyrotropic interaction mx E between magnetization in the one Wall adjacent domains and the electric vector E of the light wave. Is in a suitable direction of magnetization of a domain relative to the E vector the
  • a planar magnetized domain structure is obliquely illuminated perpendicularly with linearly polarized light or a perpendicularly magnetized domain structure, which may have been - but not necessarily - previously elliptically or circularly polarized by means of a phase shifter. While at vertical incidence the inverse Faraday or Kerr effect can not occur, however, surprisingly, the inverse gradient effect occurs in the present invention. With a suitable direction of rotation of the incident light and with a suitable orientation of the domain walls in accordance with the dielectric law of the gradient effect [9], this causes a change in existing magnetization gradients, which has an effect, in particular, on existing domain walls.
  • Fig. 1 the structure of an arrangement for manipulation of in a magnetic
  • FIG. 2 a representation of the symmetry of typical domain boundary contrasts of a
  • the arrangement shown in Fig. 1 is primarily for reading information. These are present here as domain information stored in a magnetic medium 1.
  • the medium 1 has the form of a 40 nm wide band, are passed through the spin-polarized current pulses 6 with a current density of 10 6 A mm 2 .
  • a known magnetoresistive read head 7 is arranged, with which the stored domain information is read out.
  • the medium has a planar-magnetized domain structure, as shown in Fig. 2.
  • the representation shows symmetry of typical domain boundary contrasts of a planar-magnetized thin-film medium caused by the magneto-optical gradient contrast.
  • the polarization direction of the vertically incident light is horizontal.
  • the domain boundary contrast of the 180 ° walls will revolve, while the oppositely magnetized domains will not show gradient contrast if the domains are magnetized parallel to the direction of polarization.
  • the arrangement contains a pulse laser source 2 for illuminating the magnetic medium 1.
  • the pulse laser source 2 is a picosecond laser.
  • the pus laser source 2 is arranged pivotably over the medium over an angular range 3, so that the laser beam can be directed onto the surface of the medium in a vertical or oblique incidence, depending on the magnetization direction of the respective domains present.
  • a first means 4 for changing the polarization of the laser beam is arranged.
  • the device 4 is a phase shifter which causes an elliptical or a circular polarization of the laser light.
  • a second device 5 is arranged in the laser beam. With this, the focus of the laser beam can be changed.
  • the parameters of the laser beam are chosen as follows:
  • the laser pulses can be used as well as to read the domain information as well as read:
  • the magnetic medium 1 is transported via the magnetoresistive reading head 7 using the above-mentioned spin-polarized current pulses 6 which move the domain walls.
  • the laser beam is thereby widened optically with the device 5 so far that the entire width of the magnetic medium 1 is illuminated.
  • the laser pulses cause that the domain walls are easily movable and thereby can be moved at relatively low electric current densities.
  • the laser beam is focused at a certain point on the magnetic medium 1 and the inverse Faraday or inverse Kerr effect used to selectively generate domains of a particular polarization direction.
  • a different incidence of the laser beam must be used to write and read the domain information.
  • the polarization state of the laser beam can be adjusted by selecting a linear, elliptical or circular polarization, respectively.
  • the device 4 nor the polarization direction of the laser beam can be changed during the lighting.

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Abstract

The invention is based on the object of designing a method and an arrangement for manipulating domain information stored in a magnetic medium, wherein spin-polarized electric current pulses are conducted through the medium and bring about domain wall displacements on the basis of the racetrack memory method, such that a reduction of the current density and of electromigration becomes possible. The method according to the invention is characterized in that, for the purpose of reducing the current density required for domain wall displacement, the medium is illuminated with polarized pulsed laser light using the effect of a reversal of the magneto-optical gradient effect for producing a torque at the spin system of the domain walls, wherein domains which are magnetized in the plane of the medium surface are illuminated with perpendicular incidence and domains having magnetization oriented perpendicularly to the medium surface are illuminated with oblique incidence. A further essential feature according to the invention consists in the fact that the wavelength, the pulse duration and the fluence of the pulsed laser light are chosen such that the laser light does not input heat into the magnetic medium in a manner that would lead to heating of the medium in excess of the heat generated by the electric current pulses. The arrangement according to the invention is characterized by a pulsed laser source for illuminating with a polarized laser beam a domain structure which is magnetized in planar or perpendicular fashion and is present in the medium. The method and arrangement according to the invention are applicable, in particular, in the field of magnetic data storage.

Description

Verfahren und Anordnung zur Manipulation von in einem magnetischen Medium gespeicherten Domäneninformationen  Method and device for manipulating domain information stored in a magnetic medium
TECHNISCHES GEBIET Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Manipulation von in einem magnetischen Medium gespeicherten Domäneninformationen, bei dem durch das Medium spin-polarisierte Strompulse hindurchgeleitet werden, die eine TECHNICAL FIELD The invention relates to a method and an arrangement for manipulating domain information stored in a magnetic medium, in which spin-polarized current pulses are passed through the medium
Domänenwandverschiebung bewirken. Die Erfindung ist insbesondere für die magnetische Datenspeicherung anwendbar. Effect domain wall displacement. The invention is particularly applicable to magnetic data storage.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
In herkömmlichen magnetischen Speichersystemen repräsentieren entgegengesetzt magnetisierte Domänen die Informationsbits "0" und "1 ". Der konventionelle Weg, diese Domänen zu schreiben, besteht in der Anwendung externer Magnetfelder, die von einem Magnetschreibkopf lokal in der magnetischen Speicherschicht der Festplatte erzeugt werden. In conventional magnetic memory systems, oppositely magnetized domains represent the information bits "0" and "1". The conventional way to write these domains is to use external magnetic fields generated by a magnetic write head locally in the magnetic storage layer of the hard disk.
Kimel et al. [1 , 2, 3, 4] haben eine alternative Möglichkeit zum Schreiben von Domänen und zum Ummagnetisieren eines magnetisierbaren Mediums gefunden und experimentell nachgewiesen, welche ein schnelleres Schreiben der Daten ermöglicht. Die Methode basiert auf dem inversen Faraday-Effekt. Der herkömmliche Faraday- Effekt beruht auf einer Veränderung linear polarisierten Lichtes beim Durchscheinen eines magnetisierten, optisch transparenten ferro- oder ferrimagnetischen Mediums. Diese Veränderung äußert sich primär in einer Drehung des Polarisationszustandes des Lichtes, die von Elliptizität überlagert sein kann . Der entsprechende Effekt in Reflexion an nicht-transparenten Materialien heißt magnetoptischer Kerr-Effekt. Faraday- und Kerr-Effekt kann man auch als zirkuläre Doppelbrechung interpretieren: Linear polarisiertes Licht besteht aus zwei zirkulär polarisierten Teilwellen gleicher Amplitude, d ie in entgegengesetzter Richtung drehen. Die beiden Teilwellen spüren aufgrund der Magnetisierung des Mediums unterschiedliche Brechungsindizes und breiten sich deshalb mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Beim Verlassen des Mediums vereinigen sie sich demnach zu einer linear polarisierten Welle, deren Schwingungsrichtung im Vergleich zur eintreffenden Welle gedreht ist. Werden die beiden Teilwellen auch unterschiedlich gedämpft, so ist das austretende Licht zusätzlich zur Drehung elliptisch polarisiert (zirkularer Dichroismus). Die grundlegende Regel zur Erzeugung einer Kerr- oder Faraday-Drehung lautet dabei: eine Lichtdrehung kommt dann zustande, wenn im Medium eine nicht-verschwindende Magnetisierungskomponente entlang der Ausbreitungsrichtung des reflektierten bzw. transmittierten Lichtstrahles existiert. Demzufolge existiert bei senkrechter Beleuchtung planar magnetisierter Domänen kein Kerr- oder Faraday-Effekt. Planar magnetisierte Domänen erfordern vielmehr eine schräge Lichtinzidenz. Diese Regel kann man aus einer alternativen Interpretation des physikalischen Mechanismus des Kerr- und Faraday-Effektes ableiten, welche auf dem Lorentzkonzept beruht und besagte Effekte auf eine gyrotrope Wechselwirkung des Lichtes mit der Magnetisierung zurückführt. Demnach regt das beleuchtende Licht bestimmte Elektronen des magnetischen Mediums zu oszillierenden Schwingungen entlang des elektrischen Feldes E der Lichtwelle an. Die somit erzeugten Dipole emittieren eine normal-reflektierte Welle mit dem Schwingungsvektor N. Aufgrund der Magnetisierung m des Mediums erfahren die schwingenden Elektronen eine Lorentzkraft, falls das Kreuzprodukt m x E ungleich Null ist. Die Lorentzkraft erzeugt eine sekundäre Lichtkomponente K, welche senkrecht zu N polarisiert ist. Beide überlagern sich schließlich zu einer resultierenden Welle, die gedreht bzw. elliptisch polarisiert ist, je nachdem ob N und K in-Phase schwingen oder phasenverschoben sind. Kimmel et al. konnten zeigen, dass man den Faraday-Effekt (und im Prinzip auch den Kerr-Effekt) umdrehen kann: Beleuchtet man ein magnetisiertes Medium mit zirkulär polarisierten Lichtpulsen, die von einem Femtosekundenlaser erzeugt werden, so kann man durch Übertragung des Photonenimpulses auf das Spinsystem des Mediums eine Umkehr der Magnetisierungsrichtung im beleuchteten Bereich bewirken. Dabei macht man sich zunutze, dass die ultrakurzen Lichtpulse Magnetfelder mit einer Stärke von bis zu einem Tesla am Ort des Mediums hervorrufen, die parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes gerichtet sind. Durch geeignete Wahl der Polarisations- und Strahlrichtung des einfallenden Lichtes relativ zur Magnetisierungsrichtung des Mediums lässt sich damit das Medium lokal ummagnetisieren. Da b e i i st z u beachten, dass das links- und rechts-zirkular polarisiertes Licht wie ein Magnetfeld entgegengesetzter Richtung wirkt. Weiterhin erzeugt die optische Erregung eine ultraschnelle Erhitzung des magnetischen Systems, wodurch dieses hoch empfindlich auf das Magnetfeld wird, das von den zirkular-polarisierten Lichtpulsen hervorgerufen wird. Entsprechend der Regeln des Kerr- oder Faraday-Effektes erfordern dabei planar magnetisierte Domänen schräge Inzidenz, während senkrecht zur Mediumoberfläche magnetisierte Domänen sowohl bei schräger als auch senkrechter Inzidenz umpolarisiert werden können. Durch Nutzung des inversen Faraday- oder Kerr-Effektes eröffnet sich die Möglichkeit, die Informationsbits eines magnetischen Speichermediums bis zu zwei Größenordnungen schneller zu schreiben als dies mit herkömmlichen Magnetfeldpulsen oder Spinpolarisierten Strompulsen möglich ist. Das Schreiben erfolgt dabei auf rein optischem Weg durch Beleuchten des Mediums mit zirkulär polarisiertem Licht. Bekannt ist auch ein Verfahren zum Aufzeichnen und Wiedergeben von Informationen für Blochlinienspeicher [4a]. Die Informationen werden hierbei als Blochlinien in den Domänenwänden magnetischer Dünnfilme gespeichert. Der Speichervorgang wird mit Hilfe einer Verschiebung einer Domänenwand zwischen einer ersten und einer zweiten im Dünnfilm erzeugten Potentialmulde realisiert. Zur Realisierung der Kimel et al. [1, 2, 3, 4] have found and experimentally demonstrated an alternative way of writing domains and remagnetizing a magnetizable medium, which allows faster data writing. The method is based on the inverse Faraday effect. The conventional Faraday effect is based on a change of linearly polarized light when a magnetized, optically transparent ferro- or ferrimagnetic medium shows through. This change manifests itself primarily in a rotation of the polarization state of the light, which may be superimposed by ellipticity. The corresponding effect in reflection on non-transparent materials is called the magneto-optical Kerr effect. Faraday and Kerr effects can also be interpreted as circular birefringence: linearly polarized light consists of two circularly polarized partial waves of equal amplitude, which rotate in the opposite direction. The two partial waves sense different refractive indices due to the magnetization of the medium and therefore propagate at different speeds. When leaving the medium, they thus unite to form a linearly polarized wave whose direction of oscillation is rotated in comparison to the incoming wave. If the two partial waves are also attenuated differently, the emerging light is elliptically polarized in addition to the rotation (circular dichroism). The basic rule for generating a Kerr or Faraday rotation is: a rotation of light occurs when a non-vanishing magnetization component exists along the propagation direction of the reflected or transmitted light beam in the medium. Consequently, there is no Kerr or Faraday effect on perpendicular illumination of planar magnetized domains. Planar magnetised domains require an oblique light incidence. This rule can be deduced from an alternative interpretation of the physical mechanism of the Kerr and Faraday effect, which is based on the Lorentz concept and attributes said effects to a gyrotropic interaction of the light with the magnetization. Accordingly, the illuminating light excites certain electrons of the magnetic medium to oscillating vibrations along the electric field E of the light wave. The dipoles thus generated emit a normal-reflected wave with the vibration vector N. Due to the magnetization m of the medium, the vibrating electrons experience a Lorentz force if the cross product mx E is non-zero. The Lorentz force generates a secondary light component K, which is polarized perpendicular to N. Both eventually superimpose to a resulting wave that is rotated or elliptically polarized, depending on whether N and K are in-phase or phase-shifted. Kimmel et al. could show that one can turn around the Faraday effect (and in principle also the Kerr effect): If one illuminates a magnetized medium with circularly polarized light pulses, which are generated by a femtosecond laser, one can transmit the photon impulse to the spin system of the Medium, a reversal of the magnetization direction in the illuminated area effect. It makes use of the fact that the ultrashort light pulses cause magnetic fields with a strength of up to one Tesla at the location of the medium, which are directed parallel to the propagation direction of the light. By suitable choice of the polarization and beam direction of the incident light relative to the direction of magnetization of the medium, the medium can be locally magnetized thereby. It should be noted that the left- and right-circularly polarized light acts like a magnetic field of opposite direction. Furthermore, the optical excitation generates an ultrafast heating of the magnetic system, which makes it highly sensitive to the magnetic field caused by the circularly-polarized light pulses. According to the rules of the Kerr or Faraday effect, planar magnetised domains require an oblique incidence, while domains perpendicular to the medium surface can be repolarized at both oblique and vertical incidence. By using the inverse Faraday or Kerr effect, it is possible to write the information bits of a magnetic storage medium up to two orders of magnitude faster than with conventional magnetic field pulses or spin-polarized current pulses. The writing takes place in a purely optical way by illuminating the medium with circularly polarized light. Also known is a method for recording and reproducing information for Bloch line memory [4a]. The information is stored as Bloch lines in the domain walls of magnetic thin films. The storage process is realized by means of a displacement of a domain wall between a first and a second potential well generated in the thin film. To realize the
Verschiebung der Domänenwand wird der Bereich zwischen den beiden Shifting the domain wall will be the area between the two
Potentialmulden mittels Lichtimpulsen erwärmt, so dass sich ein Temperaturgradient gegenüber den übrigen Bereichen des Dünnfilms bildet, in dessen Folge sich die Domäne in den erwärmten Bereich hinein ausdehnt. Dies ist verbunden mit einer Verschiebung der ursprünglich sich an der ersten Potentialmulde befindenden  Potential wells are heated by means of light pulses, so that a temperature gradient forms with respect to the remaining regions of the thin film, as a result of which the domain expands into the heated region. This is associated with a shift of the originally located at the first potential well
Domänenwand hin zur zweiten Potentialmulde. Domain wall towards the second potential well.
Von IBM ist ein weiteres neuartiges Konzept der magnetischen Datenspeicherung, das sog. „Racetrack Memory", veröffentlicht worden [5 , 6] . Damit lassen sich theoretisch die herkömmlichen bislang eingesetzten Festplatten und Flash-Speicher ersetzen, wobei der Racetrack-Speicher aber in beiden Fällen erhebliche Vorteile bzgl. der Speicherdichte und Lesegeschwindigkeit bieten sollte. Im Racetrack- Speicher erzeugt man auf möglichst engem Raum ein Leiterbahngitter aus einem magnetisierbaren Medium, welches z.B. aus U-förmigen Teilschleifen besteht. In jede dieser Bahnen, die eine Breite von etwa 50 nm haben, kann man mittels eines Schreibkopfes magnetische Domänen entgegengesetzter Polarisation schreiben, welche die Bit-Information repräsentieren und die durch Domänenwände voneinander getrennt sind. Schickt man einen elektrischen Strom durch die Bahn, so ist dieser aufgrund der Magnetisierung des Mediums spin-polarisiert. Der Strom wechselwirkt mit der Spinstruktur der Domänenwände und setzt diese zugleich in Bewegung. Auf diese Weise kann man die Bitmuster der Leiterbahn an einem Lesekopf vorbeischieben und somit auslesen. Die elektrische Spannung, die erforderlich ist, um die Domänen durch die Leiterbahn zu treiben, ist proportional der Länge der Bahn. Die Stromdichte muss entsprechend hoch sein, um die Domänenwände in Bewegung zu setzen. Eine Bahn aus beispielsweise der ferromagnetischen N i Fe-Legierung Permalloy mit einer Länge von 1 cm hat einen elektrischen Widerstand von 5·10"7 Ohm/m und erfordert eine Stromdichte von 3·108 A/cm2 bei einer Spannung von 15 kV entlang der Leiterbahn [7]. Solche hohen Stromdichten führen zu Elektromigration und zu einer kritischen Erwärmung der Leiterbahn. Zudem hat sich in ersten Prototypen des Speichers herausgestellt, dass die Geschwindigkeit der Domänenwände bis zu 1000 mal langsamer ist als vorhergesagt. Ein Grund dafür sind Defekte in und am Rand der Leiterbahn, welche die Wände festhalten und verlangsamen. Um den Racetrack-Speicher also gewinnbringend umzusetzen, müsste man in aufwändigen Abscheide- und Strukturierungsverfahren hochperfekte Leiterbahnen erzeugen. Another novel concept of magnetic data storage, the so-called "racetrack memory", has been published by IBM [5, 6], which theoretically allows the conventional hard disks and flash memory used to date to be used However, in both cases the racetrack memory should offer considerable advantages in terms of storage density and reading speed. In the racetrack memory, a conductor track grid made of a magnetizable medium, which consists, for example, of U-shaped partial loops, is produced in the smallest possible space. In each of these tracks, which have a width of about 50 nm, one can write by means of a write head magnetic domains of opposite polarization, which represent the bit information and which are separated by domain walls. If you send an electric current through the web, it is spin-polarized due to the magnetization of the medium. The current interacts with the spin structure of the domain walls and sets them in motion at the same time. In this way, you can push the bit pattern of the trace on a read head and thus read. The electrical voltage required to drive the domains through the track is proportional to the length of the track. The current density must be correspondingly high in order to set the domain walls in motion. A sheet of, for example, the ferromagnetic N i Fe alloy Permalloy having a length of 1 cm has an electrical resistivity of 5 × 10 "7 Ohm / m and requires a current density of 3 x 10 8 A / cm 2 at a voltage of 15 kV Along the track [7], such high current densities lead to electromigration and critical heating of the track, and in early prototypes of the memory, the speed of the domain walls has been shown to be up to 1000 times slower than predicted, due to defects in and on the edge of the track, which hold and slow down the walls.To implement the Racetrack memory profitably, one would have to produce highly-efficient traces in complex deposition and patterning process.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Ma n i p u l a t i o n v o n i n e i n e m magnetischen Medium gespeicherten Domäneninformationen, bei dem durch das Medium spin-polarisierte elektrische Strompulse hindurchgeleitet werden, die eine Domänenwandverschiebungen auf der Basis des Racetrack-Memory-Verfahrens bewirken, so zu gestalten, dass eine Verringerung der Stromdichte und der Elektromigration möglich wird. Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen enthaltenen Merkmalen gelöst, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer UND-Verknüpfung mit einschließt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke einer Reduzierung der für die Domänenwandverschiebung erforderlichen Stromdichte das Medium mit polarisiertem gepulstem Laserlicht unter Nutzung des Effektes einer U m keh r des m ag netooptischen G rad ienten effe ktes zu r Erzeug u ng e i nes Drehmomentes am Spinsystem der Domänenwände beleuchtet wird, wobei Domänen, die in der Ebene der Mediumoberfläche magnetisiert sind, in senkrechter Inzidenz und Domänen, deren Magnetisierung senkrecht zur Mediumoberfläche ausgerichtet ist, in schräger Inzidenz beleuchtet werden. Ein weiteres wesentliches erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, dass die Wellenlänge, die Pulsdauer und die Fluenz des gepulsten Laserlichtes so gewählt werden, dass durch das Laserlicht kein Wärmeeintrag in das magnetische Medium erfolgt, welcher zu einer Erwärmung des Mediums führen würde, die über die durch die elektrischen Strompulse erzeugte Wärme hinausgeht. The invention has for its object to provide a method and an arrangement for manipulating domain information stored in a magnetic medium in which spin-polarized electrical current pulses are passed through the medium causing domain wall shifts based on the racetrack memory method in that a reduction in the current density and the electromigration is possible. This object is achieved with the features contained in the patent claims, wherein the invention also includes combinations of the individual dependent claims in terms of an AND operation. The method according to the invention is characterized in that, for the purpose of reducing the current density required for the domain wall displacement, the medium with polarized pulsed laser light makes use of the effect of an interaction between the magneto-optical radian effect and the generation of a torque is illuminated at the spin domain domain, where domains magnetized in the plane of the medium surface are illuminated at an incidence in vertical incidence and domains whose magnetization is oriented perpendicular to the medium surface. Another essential feature of the invention is that the wavelength, the pulse duration and the fluence of the pulsed laser light are chosen so that no heat is introduced into the magnetic medium by the laser light, which would lead to a heating of the medium, which exceeds the through electrical current pulses generated heat goes out.
Zur Beleuchtung des Mediums kann dabei linear polarisiertes, elliptisch polarisiertes oder zirkulär polarisiertes gepulstes Laserlicht verwendet werden. For illuminating the medium, linearly polarized, elliptically polarized or circularly polarized pulsed laser light can be used.
Vorzugsweise wird zur Beleuchtung ein gepulster Laserstrahl mit einer Pulsdauer im Pico- oder Femtosekundenbereich verwendet. Erfindungsgemäß werden für das gepulste Laserlicht die Wellenlänge im Bereich von 400 bis 1400 nm, die Pulsdauer im Bereich von 10 bis 100 Femtosekunden und die Fluenz im Bereich von 0,1 mJ/cm2 bis 100 mJ/cm2 gewählt. Unter den jeweils gegebenen Bedingungen sind im Rahmen dieser Bereiche die konkreten Parameter so zu wählen, dass ein Wärmeeintrag in das magnetische Medium vermieden wird. Preferably, a pulsed laser beam with a pulse duration in the picosecond or femtosecond range is used for illumination. According to the invention, the wavelength in the range from 400 to 1400 nm, the pulse duration in the range from 10 to 100 femtoseconds and the fluence in the range from 0.1 mJ / cm 2 to 100 mJ / cm 2 are selected for the pulsed laser light. Under the given conditions, the concrete parameters are to be selected within the scope of these ranges in such a way that a heat input into the magnetic medium is avoided.
Sofern unter spezifischen Bedingungen dennoch eine Erwärmung des Mediums erfolgt, kann diese neben der Nutzung des Effektes einer Umkehr des If, under specific conditions, the medium still warms up, it may, in addition to utilizing the effect of reversing the medium
magnetooptischen Gradienteneffektes für eine weitere Reduzierung der für die Magneto-optical gradient effect for a further reduction of the for the
Domänenwandverschiebung erforderlichen Stromdichte ausgenutzt werden. Die Polarisationsrichtung oder der Polarisationsdrehsinn des Laserlichtes kann während der Beleuchtung auch gewechselt werden. Als magnetisches Medium werden zweckmäßigerweise stromdurchflossene Domain wall displacement required current density can be exploited. The polarization direction or the direction of polarization of the laser light can also be changed during illumination. As a magnetic medium expediently current flowing through
Leiterbahnen aus einem ferro- oder ferrimagnetischem Material verwendet. Tracks of a ferromagnetic or ferrimagnetic material used.
Das stromdurchflossene magnetischen Medium kann mit einer Stromdichte von < 108 A mm2 betrieben werden. The current-carrying magnetic medium can be operated with a current density of <10 8 A mm 2 .
Nach der Erfindung wird das Verfahren insbesondere für die magnetische According to the invention, the method is particularly for the magnetic
Datenspeicherung verwendet. Data storage used.
Die Erfindung beinhaltet auch eine Anordnung zur Manipulation von in einem magnetischen Medium gespeicherten Domäneninformationen, bei dem durch das Medium spin-polarisierte elektrische Strompulse hindurchgeleitet werden, die eine Domänenwandverschiebung bewirken. Diese Anordnung ist gekennzeichnet durch eine Pulslaserquelle zur Beleuchtung einer in dem Medium vorhandenen planar oder senkrecht magnetisierten Domänenstruktur mit einem polarisierten Laserstrahl. The invention also includes an arrangement for manipulating domain information stored in a magnetic medium in which spin-polarized electrical current pulses are passed through the medium causing a domain wall shift. This arrangement is characterized by a pulse laser source for illuminating a planar or vertically magnetized domain structure present in the medium with a polarized laser beam.
Als Pulslaserquelle kann ein Femtosekunden- oder Pikosekundenlaser verwendet sein. As a pulse laser source, a femtosecond or picosecond laser can be used.
Im Laserstrahl ist vorteilhafterweise eine Einrichtung zur Veränderung der Polarisation des Laserstrahls angeordnet. In the laser beam, a device for changing the polarization of the laser beam is advantageously arranged.
Die Einrichtung zur Veränderung der Polarisation des Laserstrahls kann ein The device for changing the polarization of the laser beam can be
Phasenschieber sein, der eine elliptische oder zirkuläre Polarisation des Laserlichtes bewirkt. Phase shifter, which causes an elliptical or circular polarization of the laser light.
Im Laserstrahl kann außerdem eine Einrichtung zur Veränderung des Fokusses des Laserstrahls angeordnet sein. Der Laserstrahl kann vorteilhaft mittels einer schwenkbar ausgebildeten Pulslaserquelle oder mittels einer Spiegelanordnung in senkrechter oder in schräger Inzidenz auf die Oberfläche des Mediums richtbar sein. Nach der Erfindung wird die Anordnung insbesondere für die magnetische In addition, a device for changing the focus of the laser beam can be arranged in the laser beam. The laser beam can advantageously be directed onto the surface of the medium by means of a pivotable pulse laser source or by means of a mirror arrangement in a vertical or oblique incidence. According to the invention, the arrangement is particularly for the magnetic
Datenspeicherung verwendet. Data storage used.
Mit der vorliegenden Erfindung können Racetrack-Speicher wesentlich effektiver gemacht werden, da man nicht auf die hochperfekten Leiterbahnen angewiesen ist. Die Erfindung beruht auf einer Umkehr des vor etwa 20 Jahren entdeckten With the present invention, racetrack memories can be made much more effective, since one does not rely on the high-efficiency tracks. The invention is based on a reversal of that discovered about 20 years ago
magnetooptischen Gradienteneffektes [8]. Im Gegensatz zum Kerr- oder Faraday- Effekt, die beide direkt auf die Magnetisierungsrichtung des beleuchteten Materials empfindlich sind, kann man mit dem Gradienteneffekt Änderungen der Magnetisierung detektieren. Es handelt sich dabei um einen magnetooptischen magneto-optical gradient effect [8]. In contrast to the Kerr or Faraday effect, both of which are directly sensitive to the magnetization direction of the illuminated material, the gradient effect can be used to detect changes in the magnetization. It is a magneto-optical
Doppelbrechungseffekt, der in planar-magnetisierten Medien auftritt, wenn diese mit linear polarisiertem Licht bei planar magnetisierten Medien mit senkrechter Inzidenz oder bei senkrecht magnetisierten Medien mit schräger Inzidenz beleuchtet werden. Das reflektierte (oder transmittierte) Licht wird aufgrund des Gradienteneffektes in elliptisch polarisiertes Licht verwandelt. Zur Detektion in einem optischen Birefringence effect occurring in planar-magnetized media when illuminated with linearly polarized light in planar magnetized perpendicular incidence media or obliquely incidence vertically magnetized media. The reflected (or transmitted) light is transformed into elliptically polarized light due to the gradient effect. For detection in an optical
Polarisationsmikroskop ist deshalb die Verwendung eines Phasenschiebers (z.B. eines drehbaren Lambda-Viertel Plättchens) erforderlich, welches vor dem Analysator im Strahlengang zu platzieren ist. Mit dem Phasenschieber lässt sich das elliptische Licht wieder linearisieren und damit mit Hilfe des Analysators als Lichtdrehung detektieren. Bei senkrechter Beleuchtung von planaren Domänen ist weder ein Kerr- noch Faraday-Effekt möglich (beide erfordern schräge Inzidenz im Falle planar- magnetisierter Domänen), so dass der Gradienteneffekt unabhängig von den genannten Effekten wirksam wird. Er äußert sich in einem Domänengrenzenkontrast, der die Domänenwände unabhängig von deren tatsächlicher Magnetisierungsdrehung in einem alternierenden hell-dunkel Kontrast erscheinen lässt (siehe Fig. 2). Der Kontrast wird bestimmt von den Magnetisierungsrichtungen der einer Domänenwand unmittelbar benachbarten Domänen, oder genauer ausgedrückt von der Änderung der Magnetisierung (also dem Gradienten der Magnetisierung) über die Domänenwand hinweg. Die physikalische Ursache dafür ist, wie schon beim Kerr- und Faraday- Effekt, die gyrotrope Wechselwirkung m x E zwischen Magnetisierung in den einer Wand benachbarten Domänen und dem elektrischen Vektor E der Lichtwelle. Ist bei geeigneter Magnetisierungsrichtung einer Domäne relativ zum E-Vektor das Polarizing microscope is therefore the use of a phase shifter (eg a rotatable quarter-wave plate) is required, which is to be placed in front of the analyzer in the beam path. With the phase shifter, the elliptical light can be linearized again and thus detected with the aid of the analyzer as light rotation. With perpendicular illumination of planar domains neither a Kerr nor Faraday effect is possible (both require an oblique incidence in the case of planar magnetised domains), so that the gradient effect is effective independently of the mentioned effects. It manifests itself in a domain boundary contrast which causes the domain walls to appear in an alternating light-dark contrast, regardless of their actual magnetization rotation (see Fig. 2). The contrast is determined by the magnetization directions of the domains immediately adjacent to a domain wall, or more specifically by the change in the magnetization (ie the gradient of the magnetization) across the domain wall. The physical cause for this is, as with the Kerr and Faraday effect, the gyrotropic interaction mx E between magnetization in the one Wall adjacent domains and the electric vector E of the light wave. Is in a suitable direction of magnetization of a domain relative to the E vector the
Kreuzprodukt von Null verschieden, so führt die gyrotrope Wechselwirkung zu oszillierenden Elektronenschwingungen senkrecht zur Oberfläche des magnetischen Mediums. Jenseits der Domänengrenze, also in der benachbarten Domäne, existiert ebenfalls eine senkrechte Schwingung, die aber im Vergleich zur Schwingung in der anderen Domäne um 180° phasenverschoben ist. Diese beiden phasenverschobenen Elektronenoszillationen erzeugen über die Domänenwand hinweg eine quadrupolare Schwingung, deren emittiertes Licht zu einem optischen Beugungseffekt (dem Cross product different from zero, so the gyrotropic interaction leads to oscillating electron oscillations perpendicular to the surface of the magnetic medium. Beyond the domain boundary, ie in the neighboring domain, there is also a vertical oscillation, which however is phase-shifted by 180 ° in comparison to the oscillation in the other domain. These two phase-shifted electron oscillations generate a quadrupole oscillation across the domain wall, the emitted light of which leads to an optical diffraction effect (the
Gradientenkontrast) führt, falls die Richtung der Schwingung eine Komponente entlang der Richtung des Analysators besitzt [9]. Gradient contrast) if the direction of the vibration has a component along the direction of the analyzer [9].
Die vorliegende Erfindung geht von der Idee aus, den Gradienteneffekt zu invertieren. Erfindungsgemäß wird dazu eine planar magnetisierte Domänenstruktur senkrecht mit linear polarisiertem Licht oder eine senkrecht magnetisierte Domänenstruktur schräg beleuchtet, welches man eventuell - aber nicht notwendigerweise - vorher mittels eines Phasenschiebers elliptisch oder zirkulär polarisiert hat. Während bei senkrechter Inzidenz der inverse Faraday- oder Kerr-Effekt nicht auftreten kann, tritt jedoch bei der vorliegenden Erfindung in überraschender weise der inverse Gradienteneffekt ein. Dieser bewirkt bei geeigneter Drehrichtung des einfallenden Lichtes und bei geeigneter Orientierung der Domänenwände entsprechend dem dielektrischen Gesetz des Gradienteneffektes [9] eine Änderung vorhandener Magnetisierungsgradienten, was sich insbesondere auf vorhandene Domänenwände auswirkt. Am Ort einer Domänenwand wird eine Gradientenänderung dadurch hervorgerufen, dass sich die Magnetisierung in unmittelbarer Umgebung der Wand etwas dreht. Dadurch wird wahrscheinlich die Wand enger oder weiter werden. Das bewirkt eine Änderung der Wandenergie, die sich günstig auf das Losreißen der Wand von Haftzentren auswirkt. Die Domänenwände werden so beweglicher. Dies dürfte die Schwellstromstärke, die zur strominduzierten Wandbewegung im Racetrack-Speicher nötig ist, reduzieren und zugleich die Wandverschiebung schneller machen. BEISPIEL ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG The present invention is based on the idea of inverting the gradient effect. According to the invention, a planar magnetized domain structure is obliquely illuminated perpendicularly with linearly polarized light or a perpendicularly magnetized domain structure, which may have been - but not necessarily - previously elliptically or circularly polarized by means of a phase shifter. While at vertical incidence the inverse Faraday or Kerr effect can not occur, however, surprisingly, the inverse gradient effect occurs in the present invention. With a suitable direction of rotation of the incident light and with a suitable orientation of the domain walls in accordance with the dielectric law of the gradient effect [9], this causes a change in existing magnetization gradients, which has an effect, in particular, on existing domain walls. At the site of a domain wall, a gradient change is caused by the magnetization slightly rotating in the immediate vicinity of the wall. This will probably make the wall narrower or wider. This causes a change in the wall energy, which has a favorable effect on the tearing of the wall of detention centers. The domain walls become more mobile. This is likely to reduce the threshold current needed for current-induced wall motion in the racetrack memory and, at the same time, make the wall displacement faster. EXAMPLE OF EMBODYING THE INVENTION
Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawing show:
Fig. 1 . den Aufbau einer Anordnung zur Manipulation von in einem magnetischen Fig. 1. the structure of an arrangement for manipulation of in a magnetic
Medium gespeicherten Domäneninformationen,  Medium stored domain information,
Fig. 2: eine Darstellung der Symmetrie typischer Domänengrenzkontraste eines FIG. 2: a representation of the symmetry of typical domain boundary contrasts of a
planar-magnetisierten Dünnschichtmediums.  planar-magnetized thin-film medium.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung dient in erster Linie zum Lesen von Informationen. Diese liegen hier als Domäneninformationen gespeichert in einem magnetischen Medium 1 vor. Das Medium 1 hat die Form eines 40 nm breiten Bandes, durch das spin-polarisierte Strompulse 6 mit einer Stromdichte von 106 A mm2 hindurchgeleitet werden. Unter dem Medium 1 ist ein an sich bekannter magnetoresistiver Lesekopf 7 angeordnet, mit dem die gespeicherten Domäneninformationen ausgelesen werden. The arrangement shown in Fig. 1 is primarily for reading information. These are present here as domain information stored in a magnetic medium 1. The medium 1 has the form of a 40 nm wide band, are passed through the spin-polarized current pulses 6 with a current density of 10 6 A mm 2 . Under the medium 1, a known magnetoresistive read head 7 is arranged, with which the stored domain information is read out.
Das Medium weist eine planar-magnetisierte Domänenstruktur auf, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. In der Darstellung ist Symmetrie typischer Domänengrenzenkontraste eines planar-magnetisierten Dünnschichtmediums ersichtlich, die durch den magnetooptischen Gradientenkontrast hervorgerufen werden. Die Polarisationsrichtung des senkrecht einfallenden Lichtes ist horizontal. Bei einer Drehung der Probe um 90° dreht sich der Domänengrenzenkontrast der 180°-Wände um, während die entgegengesetzt magnetisierten Domänen keinen Gradientenkontrast zeigen, falls die Domänen parallel zur Polarisationsrichtung magnetisiert sind. The medium has a planar-magnetized domain structure, as shown in Fig. 2. The representation shows symmetry of typical domain boundary contrasts of a planar-magnetized thin-film medium caused by the magneto-optical gradient contrast. The polarization direction of the vertically incident light is horizontal. As the sample rotates through 90 °, the domain boundary contrast of the 180 ° walls will revolve, while the oppositely magnetized domains will not show gradient contrast if the domains are magnetized parallel to the direction of polarization.
Die Anordnung enthält eine Pulslaserquelle 2 zur Beleuchtung des magnetischen Mediums 1 . Die Pulslaserquelle 2 ist ein Pikosekundenlaser. Die Puslaserquelle 2 ist über einen Winkelbereich 3 schwenkbar über dem Medium angeordnet, so dass der Laserstrahl in Abhängigkeit von der jeweils vorliegenden Magnetisierungsrichtung der Domänen in senkrechter oder in schräger Inzidenz auf die Oberfläche des Mediums gerichtet werden kann. Im Laserstrahl ist eine erste Einrichtung 4 zur Veränderung der Polarisation des Laserstrahls angeordnet. Die Einrichtung 4 ist ein Phasenschieber, der eine elliptische oder eine zirkuläre Polarisation des Laserlichtes bewirkt. The arrangement contains a pulse laser source 2 for illuminating the magnetic medium 1. The pulse laser source 2 is a picosecond laser. The pus laser source 2 is arranged pivotably over the medium over an angular range 3, so that the laser beam can be directed onto the surface of the medium in a vertical or oblique incidence, depending on the magnetization direction of the respective domains present. In the laser beam, a first means 4 for changing the polarization of the laser beam is arranged. The device 4 is a phase shifter which causes an elliptical or a circular polarization of the laser light.
Außerdem ist im Laserstrahl eine zweite Einrichtung 5 angeordnet. Mit dieser kann der Fokus des Laserstrahls verändert werden. In addition, a second device 5 is arranged in the laser beam. With this, the focus of the laser beam can be changed.
Die Parameter des Laserstrahls sind wie folgt gewählt: The parameters of the laser beam are chosen as follows:
- Wellenlänge: 1 .000 nm  - Wavelength: 1, 000 nm
- Pulsdauer: 50 fs (50 Femtosekunden)  - Pulse duration: 50 fs (50 femtoseconds)
- Fluenz: 10 mJ/cm2. Fluence: 10 mJ / cm 2 .
Mit diesen Parametern ist gesichert, dass durch das Laserlicht kein Wärmeeintrag in das magnetische Medium 1 erfolgt, welcher zu einer Erwärmung des Mediums 1 führen würde, die über die durch die elektrischen Strompulse erzeugte Wärme hinausgeht. With these parameters, it is ensured that no heat is introduced into the magnetic medium 1 by the laser light, which would lead to a heating of the medium 1, which goes beyond the heat generated by the electrical current pulses.
Die Laserimpulse kön nen sowoh l zu m Sch re i ben al s a uch zu m Lesen der Domäneninformationen benutzt werden: The laser pulses can be used as well as to read the domain information as well as read:
Zum Lesen der Domäneninformationen wird das magnetische Medium 1 unter Anwendung der oben genannten spin-polarisierte Strompulse 6, welche die Domänenwände bewegen, über den magnetoresistiven Lesekopf 7 transportiert. Der Laserstrahl wird dabei mit der Einrichtung 5 optisch soweit aufgeweitet, dass die gesamte Breite des magnetischen Mediums 1 beleuchtet wird. Die Laserimpulse bewirken dabei, dass die Domänenwände leicht beweglich werden und dadurch bei verhältnismäßig kleinen elektrischen Stromdichten verschoben werden können. Zum Schreiben der Informationen wird der Laserstrahl an einer bestimmten Stelle auf das magnetische Medium 1 fokussiert und der inverse Faraday- oder inverse Kerreffekt genutzt, um gezielt Domänen einer bestimmten Polarisationsrichtung zu erzeugen. Je nach Polarisationshchtung der Domänen in dem Medium muss zum Schreiben und zum Lesen der Domäneninformationen eine unterschiedliche Inzidenz des Laserstrahles verwendet werden. Außerdem kann mit der Einrichtung 4 der Polarisationszustand des Laserstrahls jeweils angepasst werden, indem eine lineare, elliptische oder zirkuläre Polarisation gewählt wird. Schließlich kann mit der Einrichtung 4 noch die Polarisationsrichtung des Laserstrahls während der Beleuchtung gewechselt werden. For reading the domain information, the magnetic medium 1 is transported via the magnetoresistive reading head 7 using the above-mentioned spin-polarized current pulses 6 which move the domain walls. The laser beam is thereby widened optically with the device 5 so far that the entire width of the magnetic medium 1 is illuminated. The laser pulses cause that the domain walls are easily movable and thereby can be moved at relatively low electric current densities. To write the information, the laser beam is focused at a certain point on the magnetic medium 1 and the inverse Faraday or inverse Kerr effect used to selectively generate domains of a particular polarization direction. Depending on the polarization direction of the domains in the medium, a different incidence of the laser beam must be used to write and read the domain information. In addition, with the device 4, the polarization state of the laser beam can be adjusted by selecting a linear, elliptical or circular polarization, respectively. Finally, with the device 4 nor the polarization direction of the laser beam can be changed during the lighting.
Zitierte Literatur Quoted literature
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[4a] DE 35 42 279 A1 [4a] DE 35 42 279 A1
[5] Parkin, et all., Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory, Science, 320, 190 (2008) [6] US Patent 7,315,470 B2 [5] Parkin, et al., Magnetic Domain Wall Racetrack Memory, Science, 320, 190 (2008) [6] US Patent 7,315,470 B2
[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Racetrack memory [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Racetrack memory
[8] R. Schäfer and A. Hubert: A new magnetooptical effect related to non-uniform magnetization on the surface of a ferromagnet. Phys. Stat. Sol.(a) 1 18, 271 -288 (1990) [8] R. Schäfer and A. Hubert: A new magnetooptical effect related to non-uniform magnetization on the surface of a ferromagnet. Phys. Stat. Sol. (A) 1 18, 271-288 (1990)
[9] R. Schäfer, C. Hamann, J. McCord, L. Schultz and V. Kambersky: Magnetooptical gradient effect in exchange-biased thin film: experimental evidence for classical diffraction theory. Submitted to New Journal of Phys. (2010) [9] R. Schäfer, C. Hamann, J. McCord, L. Schultz and V. Kambersky: Magnetooptical gradient effect in exchange-biased thin film: experimental evidence for classical diffusion theory. Submitted to New Journal of Phys. (2010)

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zur Manipulation von in einem magnetischen Medium gespeicherten Domäneninformationen, bei dem durch das Medium spin-polarisierte elektrische Strompulse hindurchgeleitet werden, die eine Domänenwandverschiebung bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke einer Reduzierung der für die Domänenwandverschiebung erforderlichen Stromdichte das Medium mit polarisiertem gepulstem Laserlicht unter Nutzung des Effektes einer Umkehr des magnetooptischen Gradienteneffektes zur Erzeugung eines Drehmomentes am Spinsystem der Domänenwände beleuchtet wird, wobei Domänen, die in der Ebene der Mediumoberfläche magnetisiert sind, in senkrechter Inzidenz und Domänen, deren Magnetisierung senkrecht zur Mediumoberfläche ausgerichtet ist, in schräger Inzidenz beleuchtet werden, und wobei die Wellenlänge, die Pulsdauer und die Fluenz des gepulsten Laserlichtes so gewählt werden, dass durch das Laserlicht kein Wärmeeintrag in das magnetische Medium erfolgt, welcher zu einer Erwärmung des Mediums führen würde, die über die durch die elektrischen Strompulse erzeugte Wärme hinausgeht. 1 . A method of manipulating domain information stored in a magnetic medium by passing through the medium spin-polarized electrical current pulses causing a domain wall shift, characterized in that for the purpose of reducing the current density required for the domain wall shift, the medium with polarized pulsed laser light Exploiting the effect of reversing the magneto-optic gradient effect to produce a torque on the domain wall spin system wherein domains magnetized in the plane of the medium surface are illuminated in oblique incidence at vertical incidence and domains whose magnetization is oriented perpendicular to the medium surface , And wherein the wavelength, the pulse duration and the fluence of the pulsed laser light are selected so that no heat is introduced into the magnetic medium by the laser light, which leads to a heating would lead the medium, which goes beyond the heat generated by the electric current pulses.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung des Mediums linear polarisiertes, elliptisch polarisiertes oder zirkulär 2. The method according to claim 1, characterized in that for illuminating the medium linearly polarized, elliptically polarized or circular
polarisiertes gepulstes Laserlicht verwendet wird.  polarized pulsed laser light is used.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung ein gepulster Laserstrahl mit einer Pulsdauer im Picosekunden- oder 3. The method according to claim 1, characterized in that for illumination a pulsed laser beam with a pulse duration in the picosecond or
Femtosekundenbereich verwendet wird.  Femtosecond range is used.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des gepulsten Laserlichtes im Bereich von 400 bis 1400 nm gewählt wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that the wavelength of the pulsed laser light is selected in the range of 400 to 1400 nm.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des gepulsten Laserlichtes im Bereich von 10 bis 100 Femtosekunden gewählt wird. 5. The method according to claim 1, characterized in that the pulse duration of the pulsed laser light is selected in the range of 10 to 100 femtoseconds.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fluenz des gepulsten Laserlichtes im Bereich von 0,1 mJ/cm2 bis 100 mJ/cm2 gewählt wird. 6. The method according to claim 1, characterized in that the fluence of the pulsed laser light in the range of 0.1 mJ / cm 2 to 100 mJ / cm 2 is selected.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die 7. The method according to claim 1, characterized in that the
Polarisationsrichtung oder der Polarisationsdrehsinn des Laserlichtes während der Beleuchtung gewechselt wird.  Polarization direction or the polarization rotation of the laser light is changed during the lighting.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als magnetisches Medium stromdurchflossene Leiterbahnen aus einem ferro- oder 8. The method according to claim 1, characterized in that as a magnetic medium current-carrying conductor tracks of a ferro- or
ferrimagnetischem Material verwendet werden.  ferrimagnetic material can be used.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das 9. The method according to claim 1, characterized in that the
stromdurchflossene magnetischen Medium mit einer Stromdichte von nur < 108 A/mm2 betrieben wird. current-carrying magnetic medium with a current density of only <10 8 A / mm 2 is operated.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch 10. The method according to one or more of claims 1 to 9, characterized
gekennzeichnet, dass dieses für die magnetische Datenspeicherung  marked that for magnetic data storage
verwendet wird.  is used.
1 1 .Anordnung zur Manipulation von in einem magnetischen Medium gespeicherten Domäneninformationen, bei dem durch das Medium spin-polarisierte elektrische Strompulse (6) hindurchgeleitet werden, die eine Domänenwandverschiebung bewirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine 1 1 .Anordnung for manipulating stored in a magnetic medium domain information, in which are passed through the medium spin-polarized electric current pulses (6), which cause a Domainwandverschiebung, characterized in that the arrangement a
Pulslaserquelle (2) zur Beleuchtung einer in dem Medium (1 ) vorhandenen planar oder senkrecht magnetisierten Domänenstruktur (D1 ,D2) mit einem polarisierten Laserstrahl enthält.  Pulslaserquelle (2) for illuminating a in the medium (1) existing planar or perpendicularly magnetized domain structure (D1, D2) with a polarized laser beam contains.
12. Anordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die 12. Arrangement according to claim 1 1, characterized in that the
Pulslaserquelle (2) ein Femtosekunden- oder Pikosekundenlaser ist. Pulse laser source (2) is a femtosecond or picosecond laser.
13. Anordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Laserstrahl eine Einrichtung (4) zur Veränderung der Polarisation des Laserstrahls angeordnet ist. 13. Arrangement according to claim 1 1, characterized in that in the laser beam means (4) for changing the polarization of the laser beam is arranged.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) zur Veränderung der Polarisation des Laserstrahls ein Phasenschieber ist, der eine elliptische oder zirkuläre Polarisation des Laserlichtes bewirkt. 14. The arrangement according to claim 13, characterized in that the means (4) for changing the polarization of the laser beam is a phase shifter which causes an elliptical or circular polarization of the laser light.
15. Anordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Laserstrahl eine Einrichtung (5) zur Veränderung des Fokusses des Laserstrahls 15. Arrangement according to claim 1 1, characterized in that in the laser beam means (5) for changing the focus of the laser beam
angeordnet ist.  is arranged.
16. Anordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mittels einer schwenkbar ausgebildeten Pulslaserquelle (2) oder mittels einer Spiegelanordnung in senkrechter oder in schräger Inzidenz auf die Oberfläche des Mediums richtbar ist. 16. Arrangement according to claim 1 1, characterized in that the laser beam can be directed by means of a pivotable pulse laser source (2) or by means of a mirror arrangement in vertical or oblique incidence on the surface of the medium.
17. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch 17. Arrangement according to one or more of claims 1 to 16, characterized
gekennzeichnet, dass diese für die magnetische Datenspeicherung verwendet wird.  characterized in that it is used for magnetic data storage.
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