Hochmobilitäts-inertiale Domänenwände, angetrieben durch Spin-Transfer-Torque in einem ferrimagnetischen Spinelloxid

Rennende Wände in zukünftigen Speicherschips

Moderne Geräte sind auf Speicher angewiesen, der schnell umschaltet und dabei möglichst wenig Energie verbraucht. Diese Studie untersucht ein besonderes magnetisches Material, in dem unsichtbare Grenzen im Magneten, sogenannte Domänenwände, durch kurze elektrische Pulse mit Rekordgeschwindigkeit verschoben werden können. Das Verständnis und die Kontrolle dieser winzigen bewegten Wände könnten zu schnelleren, kühler laufenden Speicher- und Logikchips führen, die Informationen auf neue Weise speichern und verarbeiten.

Eine neue Art magnetischer Rennbahn

Ingenieure träumen seit Langem von „Racetrack Memory“, bei dem Informationsbits als magnetische Bereiche entlang eines schmalen Streifens gespeichert und hin- und hergeschoben statt physisch bewegt werden. Die Herausforderung besteht darin, diese Bereiche mit moderaten elektrischen Strömen schnell zu verschieben. In dieser Arbeit konzentrieren sich die Autoren auf ein ferrimagnetisches Oxid namens NiCo2O4, gewachsen als ultradünner Film auf einem Kristallsubstrat. Dieses Material vereint geringe Gesammagnetisierung mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und stark polarisierten Elektronenspins — Eigenschaften, von denen die Theorie vorhersagt, dass sie Domänenwände schnell und mit geringem Energieverlust bewegen lassen.

Die verborgenen magnetischen Grenzen sichtbar machen

Bevor sie die Wände verschoben, musste das Team zunächst ihre Form und innere Drehung verstehen. Sie verwendeten einen abtastenden Sensor, der auf einem einzelnen Defekt im Diamant basiert, um die winzigen Magnetfelder über dem Film mit Nanometer-Präzision abzubilden. Durch das Anpassen dieser Feldkarten stellten sie fest, dass die Wände vom Bloch-Typ sind, das heißt die Magnetisierung dreht sich seitlich beim Querübertritt der Wand. Die Messungen zeigten außerdem, dass eine andere Wechselwirkung, die Wände häufig in eine andere Form verdreht, hier im Wesentlichen fehlt. Diese gutartige Wandstruktur trägt dazu bei, die Bewegung unter angelegtem Strom vorhersehbarer zu machen.

Wände mit sanften elektrischen Strömen antreiben

Um die Wände anzutreiben, schickten die Forscher kurze Strompulse entlang gemusterter Streifen des Materials und beobachteten die resultierende Bewegung mit einem Mikroskop, das kleine Änderungen im reflektierten Licht detektiert. Sie beobachteten Wände, die in Stromrichtung mit Geschwindigkeiten über einem Kilometer pro Sekunde bei einer Stromdichte liefen, die niedriger ist als in vielen konkurrierenden Materialien. Noch auffälliger war, dass die Wände bereits bei deutlich geringeren Strömen in Bewegung gerieten — ein bis zwei Größenordnungen unter den typischerweise erforderlichen Werten. Durch den sorgfältigen Vergleich der Bewegung bei umgekehrten Stromrichtungen und Magnetfeldern zeigte das Team, dass die Wände hauptsächlich durch Spin-Transfer-Torque bewegt werden — ein Prozess, bei dem die Spins der stromführenden Elektronen auf die lokale Magnetisierung drücken.

Trägheit und effiziente Bewegung im Nanomaßstab

Wenn der Stromimpuls endet, stoppen die Wände in diesem Material nicht sofort. Stattdessen gleiten sie etwa eine Milliardstel Sekunde weiter, ein Hinweis darauf, dass sie eine Trägheit besitzen, ähnlich einem winzigen Objekt mit Masse. Durch Variation der Pulslänge konnten die Forscher beobachten, dass kürzere Pulse tatsächlich höhere mittlere Geschwindigkeiten erzeugten, weil ein großer Teil der Bewegung nach Abschalten des Pulses stattfand. Dieses Verhalten erlaubte es ihnen, die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten der Wände abzuschätzen und eine charakteristische Zeit von etwa einer Nanosekunde zu ermitteln — kürzer als Werte, die in vielen Ferromagneten beobachtet werden. Aus diesen Messungen extrahierten sie auch Parameter, die zeigen, dass der nicht-adiabatische Anteil des Torques, der in ferrimagnetischen Systemen besonders stark ist, in diesem Oxid ungewöhnlich groß ist.

Was das für zukünftige Geräte bedeutet

In der Summe sticht NiCo2O4 als Material hervor, in dem Domänenwände bei relativ niedrigen Strömen sehr schnell laufen und deren Trägheit sowie interne Struktur nun quantitativ verstanden sind. Im Vergleich zu anderen Metallen und Oxiden, die für ähnliche Bauelemente verwendet werden, bietet dieses Spinelloxid ein attraktives Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Energieaufwand zum Verschieben von Bits entlang einer magnetischen Rennbahn. Da es zudem optische Kontrolle mit ultrakurzen Laserpulsen unterstützt, könnten diese Klassen ferrimagnetischer Spinellmaterialien die Grundlage zukünftiger Speicher- und Rechentechnologien bilden, die elektrische und optische Kontrolle der Magnetisierung kombinieren.

Zitation: Wu, M., Ding, S., van Schie, L. et al. High-mobility inertial domain walls driven by spin-transfer torque in a ferrimagnetic spinel oxide. Nat Commun 17, 4672 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71290-6

Schlüsselwörter: Spintronik, Domänenwandbewegung, ferrimagnetisches Oxid, Spin-Transfer-Torque, Racetrack-Speicher