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Chemische PhysikDesigner-Werkstoffe für magnetische Datenspeicher

Immer kompakter und leistungsfähiger sollen Computerfestplatten sein. Dafür müssen die Magnetinseln, die Informationen auf einer konventionellen Hard Disc speichern, ständig weiterschrumpfen. Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe in Dresden ist jetzt ein Coup gelungen.

Von Ralf Krauter | 09.04.2015

Eine Person am Laptop.
Kleinere Festplatten mit mehr Speicherkapazität. (picture-alliance / dpa / Tim Brakemeier)
Claudia Felser ist eine resolute Frau, deren Augen begeistert funkeln, wenn sie von ihrer Arbeit erzählt. Die Direktorin am Max-Planck-Institut für chemische Physik fester Stoffe in Dresden ist Expertin für Hightech-Werkstoffe mit interessanten magnetischen Eigenschaften. Auf Basis computerbasierter Modelle entwickelt sie Materialien, mit deren Hilfe sich digitale Informationen auf Computerfestplatten noch dichter packen lassen.
"Wir machen alles zuerst auf dem Computer. Wenn wir wissen, was gewünscht ist, suchen wir uns ein Material. Und wir haben schon 2006 so eine Daumenregel für uns gefunden, wie man Heusler-Verbindungen machen kann die sich kompensieren."
Einstellbare magnetische Eigenschaften
Heusler-Verbindungen sind Designer-Werkstoffe mit präzise einstellbaren magnetischen Eigenschaften. Das Kristallgitter dieser Legierungen besteht aus mehreren ineinander verschachtelten Ensembles atomarer Magnetnadeln, die sich gegenseitig beeinflussen.
"Das Schöne ist: Man hat zwei oder drei magnetische Untergitter. Also man kann seine ganzen kleinen Magnete so zusammen bauen wie in einem Legokasten. Wir können sozusagen bauen, was sie sich wünschen."
Die neueste Heusler-Verbindung aus dem Dresdner Labor ist rekordverdächtig. Die Legierung aus Mangan, Platin und Gallium lässt sich so stark magnetisieren, wie kein ein anderes Material zuvor. Dabei ist der bei über 1.000 Grad Celsius gebackenen Werkstoff zunächst überhaupt nicht magnetisch. Sein Inneres besteht aus periodisch angeordneten Paaren von Atomen, deren magnetische Momente sich gegenseitig exakt aufheben. Bringt man die Probe allerdings in ein äußeres Magnetfeld, dann sorgt die Wechselwirkung zwischen den Atomen dafür, dass lokal Inseln mit kräftiger Magnetisierung entstehen. Diese Magnetinseln sind nach außen hin so abgeschirmt, dass praktisch kein Feld nach außen dringt - und das macht sie interessant für magnetische Datenspeicher.
"Wenn man jetzt einen Magneten hat, der kein Streufeld hat, kann er eben auch nicht andere Magnete negativ beeinflussen. Und kann trotzdem die Aufgabe tun, die man gerne hätte. Also zum Beispiel ein anderes Magnetfeld festhalten - für die Datenspeicherung."
Miniaturisierung der Leseköpfe
Dank der perfekten Abschirmung der Magnetinseln ließen sich die Bits auf Computerfestplatten künftig vielleicht noch dichter nebeneinander packen, ohne sich gegenseitig zu stören. Auch bei der weiteren Miniaturisierung der Leseköpfe könnte die neue Legierung hilfreich sein, sagt Claudia Felser.
"In den Leseköpfen verwendet man die andere Eigenschaft, die wir auch in unserer Publikation erwähnen: Dieses Festhalten des Magnetfeldes, dieses exchange bias, das verwendet man im Prinzip in den Leseköpfen."
Exchange bias heißt: Austauschwechselwirkung. In den Leseköpfen heutiger Festplatten sorgt sie dafür, dass die atomaren Kompassnadeln einer Referenzschicht stets ihre Orientierung beibehalten. Die Legierung aus Dresden wäre dafür perfekt. Als die Forscher ihre Proben in einem Hochfeldlabor in Nijmwegen mit einem statischen Magnetfeld von 20 Tesla traktierten, zeigten die Magnetinseln in der Probe Feldstärken von über drei Tesla, die auch nach Abschalten des externen Feldes erhalten blieben. Einen Stoff, der Felder dieser Stärke förmlich einfrieren kann, gab es bis dato nicht.
"Das ist ein super starker getarnter Magnet, der halt auch viele Tesla Magnetfeld festhalten kann. Viel mehr als man bisher in diesen Festplattenleseköpfen braucht. Aber je kleiner das wird, umso besser ist es natürlich, wenn das Material immer besser und stärker wird."
Enge Zusammenarbeit mit Herstellern
Claudia Felser und ihr Team liefern Festplattenherstellern die Rezepte, für winzige Magnete mit stabiler Magnetisierung, mit deren Hilfe sie die Speicherkapazität ihrer Produkte weiter steigern könnten. Man stehe in engem Kontakt, betont die Chemikerin.
"Wir arbeiten mit einer Firma zusammen, Western Digital, die an Harddiscs arbeitet. Und wir werden mal sehen, wie die das jetzt in Richtung Anwendung sehen."
Allzu weit dürfte der Weg in die Praxis nicht sein. Während die ersten der hoch magnetisierbaren Heusler-Verbindungen noch tiefgekühlt werden mussten, um ihre bemerkenswerten Eigenschaften zu entfalten, zeigen leicht veränderte Rezepturen dieselben Effekte schon bei Raumtemperatur. Der Motor des rasanten Fortschritts auf dem Gebiet, erklärt die Max-Planck-Direktorin, sei die enge Verzahnung von Theorie und Praxis.
"Wir haben die Kombination zwischen einer sehr guten Theoriegruppe bei uns und einer sehr guten synthetischen Gruppe, die dann eben auch die Materialien herstellen kann."