Multiscale Mikromagnetismus

Ein detailliertes Verständnis der grundlegenden magnetischen Vorgänge ist äußerst wichtig für die Entwicklung neuartiger Datenspeicher wie z.B. Festplatten mit patterned Elements oder Magnetic Random Access Memories (MRAM). Die Kenntnis des Langzeitverhaltens dieser Datenspeicher über Zeiträume von mehreren Jahren ist Voraussetzung, um eine hohe Zuverlässigkeit zu garantieren. Da experimentelle Messungen der thermischen Stabilität über solch lange Zeiträume nicht durchführbar sind, wurden Theorien entwickelt, um trotzdem Rückschlüsse auf die Langzeitstabilität ziehen zu können. Beispielsweise kann diese mit Hilfe zeitabhängigen Koerzitivitätsmessungen und der Sharrock-Gleichung abgeschätzt werden. Die meisten dieser Theorien basieren auf der einfachen Stoner-Wohlfarth-Theorie, die für magnetische Partikel eine homogene Magnetisierung annimmt. Diese Annahme ist für konventionelle magnetische Datenspeicher gerechtfertigt, deren magnetische Körner aus einer einzelnen Phase bestehen, und deren Magnetisierung auch während des Umschaltvorgangs homogen bleibt. Moderne Datenspeicher-Strukturen bestehen jedoch aus komplizierten mehrphasigen Mikrostrukturen. Dies erfordert neue Theorien, die das dynamische Verhalten der Magnetisierung von Partikeln über einen großen Bereich auf der Zeit- und Längenskala beschreiben können. Umschaltprozesse die durch äußere Felder induziert werden gehen innerhalb von Nanosekunden vor sich, während thermisch angeregte Umschaltprozesse in magnetischen Datenspeichern viele Jahre dauern. Um den großen Bereich auf der Zeitskala abzudecken, sind komplexe numerische Methoden notwendig, die auch für Systeme mit vielen Freiheitsgraden anwendbar sind. Die Magnetisierungsdynamik im Nanosekundenbereich wird von der Langevin-Gleichung beschrieben, die den Einfluss eines thermischen Feldes berücksichtigt. Um mit dieser Methode eine hinreichende Genauigkeit zu erzielen, müssen Techniken wie z.B. die Renormierung von Materialparametern weiterentwickelt werden. Für die Beschreibung dynamischer Prozesse, die sich über Jahre erstrecken, wird hingegen die Transition State Theory herangezogen und mit neuen Methoden wie z.B. dem Transition Path Sampling ergänzt. Ein Schwerpunkt dieses Projekts ist die numerische Berechnung der Attempt Frequency für große mikromagnetische Modelle. Die dabei auftretende große Systemmatrix wird mit Hilfe hierarchischer Matrizen (H-Matrizen) komprimiert. Neuartige Algorithmen zur effizienten Berechnung von Eigenwerten und Determinanten von H-Matrizen werden benötigt. Eine Monte Carlo Methode zur Schätzung von Determinanten wird getestet. Neben der Berechnung der Attempt Frequency für komplizierte mikromagnetische Strukturen stellt die Simulation der thermischen Relaxation eines auf Exchange Spring Media, einem neuartigen Medium, geschriebenen Bit-Musters einen weitereren Schwerpunkt dieses Projektes dar. Dies wird mit Hilfe vorausberechneter Energiebarrieren bzw. Attempt Frequencies mit einer Monte Carlo Simulation realisiert. Die Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen, bei denen Exchange Spring Medien auf Polystyrol-Partikel aufgebracht werden, sodass einzelne isolierte nanometergroße magnetische Kuppen entstehen. Schließlich wird versucht die Sharrock-Gleichung zu erweitern, um die Genauigkeit von Messungen der thermischen Stabilität zu erhöhen.

Der rasche Fortschritt der Nanotechnologie erlaubt die Realisierung von neuen Konzepten der Datenspeicherung und Computer. Für die Entwicklung dieser neuartigen Strukturen muss der Einfluss von externen Größen, wie zum Beispiel Magnetfelder und Temperatur bekannt sein. Von besonderer Bedeutung ist ein detailliertes Wissen der Langzeitstabilität von magnetischen Speichern, wie Festplatten, Magnetic Random Access Memories (MRAM) und vorstrukturierte Medien. Die Langzeitstabilität kann jedoch nicht direkt gemessen werden. Somit benötigt man für das Urteil, ob Beispielsweise eine Festplatte die Daten für zumindest zehn Jahre stabil speichert, die Hilfe von Theorien und Simulationen um Experimente interpretieren zu können. Im Rahmen dieses Projektes konnte erstmals die Langzeitstabilität von komplexen magnetischen Nanostrukturen vorhergesagt werden, ohne auf nicht unabhängige messbare Materialparameter zurückgreifen zu müssen. Dies Erlaubt die Entwicklung von neuen Designs von Speicherkonzepten. Ein zentrales Problem von magnetischen Festplatten ist, dass mit steigender Speicherdichte die magnetischen Körner so klein werden, dass diese entweder nicht mehr thermisch stabil sind oder nicht mehr mittels des Schreibkopfes beschrieben werden können. Eine aktuelle Lösung dieses Problems bieten austauschgekoppelte weichmagnetische und hartmagnetische Schichten (exchange-spring Medien). Im Rahmen dieses Projektes konnte dieses Konzept signifikant verbessert werden, indem gezeigt werden konnte, dass mehr als zwei Schichten das benötigte Schreibfeld drastisch reduziert, die thermische Stabilität der Festplatte jedoch nicht mindert. Die thermische Stabilität dieser multilagen Medien konnte mit herkömmlichen Medien verglichen werden. Im Rahmen dieses Projektes demonstrierten wir, dass Speicherdichten von 2.5 TeraBits/inch 2 möglich sind, was einer vier mal so hohen Speicherdichte entspricht verglichen zu den momentan besten Festplatten. Ein weiteres Forschungshighlight welches durch multiskalen-Simulationen entwickelt worden ist, war die Entdeckung eines 3D Speicherkonzeptes. Microwellenfelder werden dabei genutzt um verschiedene magnetische Schichten selektiv ansprechen zu können. Dies erlaubt, dass die Information nicht nur in einer Schicht gespeichert wird sondern die multiplen Bits in mehreren Lagen. Dieses Konzept, welches als US Patent registriert worden ist, hat das Potential die Speicherdichte von zukünftigen vorstrukturierten Medien zu multiplizieren.