Verdrehte atomare magnetische Tunnelkontakte mit mehreren nichtflüchtigen Zuständen

Mehr speichern als nur Nullen und Einsen

Heutige digitale Geräte denken größtenteils in Schwarz und Weiß: jedes winzige Speicherelement hält entweder eine Null oder eine Eins. Diese Arbeit untersucht eine Methode, mehrere als zwei stabile Werte in einem einzigen, ultrakleinen magnetischen Bauelement aus atomaren Schichten unterzubringen. Durch das gezielte Verdrehen dieser atomdünnen magnetischen Lagen zeigen die Forschenden, dass eine einzelne Kontaktstelle zuverlässig mehrere unterschiedliche Zustände ohne Stromversorgung halten kann. Das deutet auf dichteren Speicher, neue Rechenkonzepte und Geräte hin, die den ultimativen Grenzbereich der Miniaturisierung erreichen.

Von klassischen magnetischen Bits zu atomaren Stapeln

Magnetische Tunnelkontakte stehen bereits im Zentrum moderner magnetischer Speicher und Leseköpfe von Festplatten. In einem konventionellen Kontakt sind zwei magnetische Metallschichten durch eine extrem dünne isolierende Barriere getrennt. Elektronen können durch diese Barriere „tunneln“ und tun das leichter, wenn die Magnetisierungen in den beiden Schichten in die gleiche Richtung zeigen als wenn sie entgegengesetzt ausgerichtet sind, wodurch zwei Widerstandsniveaus entstehen, die Null und Eins kodieren. Dieses Design hat sich als robust und skalierbar erwiesen, ist aber weiterhin aus relativ dicken, imperfekten Oxidbarrieren aufgebaut und grundsätzlich auf nur zwei stabile Zustände beschränkt.

Warum verdrehte atomare Lagen das Spiel verändern

Das Team nutzt ein Material namens CrSBr, einen Halbleiter, der magnetisch bleibt, selbst wenn er auf eine einzelne Atomlage reduziert ist. In seiner natürlichen Form koppeln zwei solche Lagen so, dass sich ihre internen Magnetisierungen innerhalb jeder Schicht ausrichten, sich aber zwischen den Schichten gegensinnig verhalten. Als Barriere zwischen leitenden Kontakten fungiert dieses Bilayer bereits als „atomarer“ Tunnelkontakt. Die zentrale Erkenntnis ist, dass das Rotieren einer CrSBr‑Lage relativ zur anderen — also die Schaffung einer verdrehten Grenzfläche — die übliche starke Kopplung zwischen den Schichten weitgehend auflöst. Jede verdrehte Grenzfläche kann dann zwei verschiedene, stabile Ausrichtungen der magnetischen Momente tragen, die sich in zwei unterschiedliche Leitfähigkeitszustände übersetzen, selbst ohne ein äußeres Magnetfeld.

Geräte mit zwei und vier stabilen Pegeln bauen

Zunächst stapeln die Forschenden eine CrSBr‑Monolage auf ein natürliches CrSBr‑Bilayer und formen so eine dreilagige Struktur mit einer einzigen verdrehten Grenzfläche. Das darunterliegende Bilayer bleibt stark in einem antiparallelen Muster verriegelt und wirkt als starre Referenz, während die darüber liegende verdrehte Grenzfläche entweder eine quasi‑parallele oder quasi‑antiparallele Anordnung einnehmen kann. Sorgfältige Messungen bei veränderlichen Magnetfeldern zeigen, dass der Strom durch diesen atomaren Kontakt reproduzierbar zwischen zwei Nullfeldniveaus umschalten kann, mit Widerstandsänderungen, die in optimierten Bauteilen mehrere hundert Prozent erreichen. Da das zugrundeliegende Bilayer starke „Pinning“-Effekte liefert, sind diese beiden Zustände ungewöhnlich stabil über viele Zyklen und über ein weites Spektrum von Feldrichtungen hinweg.

Aus einer verdrehten Grenzfläche ein mehrstufiges Element machen

Die Autoren erweitern das Design, indem sie unter dem Bilayer eine zweite CrSBr‑Monolage hinzufügen und so einen vierlagigen Stapel mit zwei verdrehten Grenzflächen erzeugen: Monolage/Bilayer/Monolage. Nun können sowohl die obere als auch die untere Monolage unabhängig eine von zwei Orientierungen relativ zum zentralen Bilayer annehmen. In Kombination ergibt das vier verschiedene magnetische Konfigurationen, von denen jede bei Nullfeld einen anderen Tunnelstrom hervorruft. Experimente bei sehr niedrigen Temperaturen zeigen vier gut getrennte, reproduzierbare Stromniveaus. Durch das Lenken der Richtung und Stärke moderater Magnetfelder demonstriert das Team, dass sich jeder dieser vier Zustände in jeden anderen umwandeln lässt, entweder direkt oder über Sequenzen von Umschritten, wodurch faktisch eine steuerbare vierstufige Speichereinheit in einem einzigen atomaren Kontakt realisiert wird.

Auf dem Weg zu reichhaltigerem magnetischem Speicher und Rechnen

Über diese spezifischen Stapel hinaus zeigen die Autoren, dass ähnliche Ideen funktionieren, wenn alle Lagen antiferromagnetisch sind; so entsteht in einem Bauteil aus drei verdrehten Bilayern ein Gerät mit drei nichtflüchtigen Pegeln. Zusammen belegen die Ergebnisse, dass das einfache Hinzufügen verdrehter Grenzflächen in van‑der‑Waals‑magnetischen Materialien die Zahl der verfügbaren stabilen Widerstandszustände in einem einzigen Kontakt vervielfachen kann. Für Laien bedeutet das einen Weg zu Speicherelementen, die mehrere Werte statt nur Null oder Eins speichern, in Bauteilen, die nur wenige Atome dick sind. Solche mehrstufigen, ultradünnen magnetischen Tunnelkontakte könnten eines Tages deutlich mehr Information auf derselben Fläche unterbringen und neue, gehirnähnliche oder energieeffiziente Rechenarchitekturen ermöglichen.

Zitation: Chen, Y., Samanta, K., Healey, A.J. et al. Twisted atomic magnetic tunnel junctions with multiple nonvolatile states. Nat Commun 17, 2439 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70239-z

Schlüsselwörter: magnetische Tunnelkontakte, verdrehte 2D‑Magnete, mehrstufiger Speicher, CrSBr, Spintronik