SCHÄFER, Rudolf (Bibrachstraße 17 B, Dresden, 01217, DE)
| Patentansprüche 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. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung des Mediums linear polarisiertes, elliptisch polarisiertes oder zirkulär polarisiertes gepulstes Laserlicht verwendet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung ein gepulster Laserstrahl mit einer Pulsdauer im Picosekunden- oder Femtosekundenbereich verwendet wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des gepulsten Laserlichtes im Bereich von 400 bis 1400 nm gewählt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des gepulsten Laserlichtes im Bereich von 10 bis 100 Femtosekunden gewählt wird. 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. 7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisationsrichtung oder der Polarisationsdrehsinn des Laserlichtes während der Beleuchtung gewechselt wird. 8. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als magnetisches Medium stromdurchflossene Leiterbahnen aus einem ferro- oder ferrimagnetischem Material verwendet werden. 9. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das stromdurchflossene magnetischen Medium mit einer Stromdichte von nur < 108 A/mm2 betrieben wird. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses für die magnetische Datenspeicherung verwendet wird. 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 Pulslaserquelle (2) zur Beleuchtung einer in dem Medium (1 ) vorhandenen planar oder senkrecht magnetisierten Domänenstruktur (D1 ,D2) mit einem polarisierten Laserstrahl enthält. 12. Anordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslaserquelle (2) ein Femtosekunden- oder Pikosekundenlaser ist. 13. Anordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Laserstrahl eine Einrichtung (4) zur Veränderung der Polarisation des Laserstrahls angeordnet ist. 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. 15. Anordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass im Laserstrahl eine Einrichtung (5) zur Veränderung des Fokusses des Laserstrahls angeordnet ist. 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. 17. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese für die magnetische Datenspeicherung verwendet wird. |
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
Domänenwandverschiebung bewirken. Die Erfindung ist insbesondere für die magnetische Datenspeicherung anwendbar.
STAND DER TECHNIK
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.
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
Verschiebung der Domänenwand wird der Bereich zwischen den beiden
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
Domänenwand hin zur zweiten Potentialmulde.
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 3·10 8 A/cm 2 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.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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.
Zur Beleuchtung des Mediums kann dabei linear polarisiertes, elliptisch polarisiertes oder zirkulär polarisiertes gepulstes Laserlicht verwendet werden.
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/cm 2 bis 100 mJ/cm 2 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.
Sofern unter spezifischen Bedingungen dennoch eine Erwärmung des Mediums erfolgt, kann diese neben der Nutzung des Effektes einer Umkehr des
magnetooptischen Gradienteneffektes für eine weitere Reduzierung der für die
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
Leiterbahnen aus einem ferro- oder ferrimagnetischem Material verwendet.
Das stromdurchflossene magnetischen Medium kann mit einer Stromdichte von < 10 8 A mm 2 betrieben werden.
Nach der Erfindung wird das Verfahren insbesondere für die magnetische
Datenspeicherung verwendet.
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.
Als Pulslaserquelle kann ein Femtosekunden- oder Pikosekundenlaser verwendet sein.
Im Laserstrahl ist vorteilhafterweise eine Einrichtung zur Veränderung der Polarisation des Laserstrahls angeordnet.
Die Einrichtung zur Veränderung der Polarisation des Laserstrahls kann ein
Phasenschieber sein, der eine elliptische oder zirkuläre Polarisation des Laserlichtes bewirkt.
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
Datenspeicherung verwendet.
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
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
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
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
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
Gradientenkontrast) führt, falls die Richtung der Schwingung eine Komponente entlang der Richtung des Analysators besitzt [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
Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 . den Aufbau einer Anordnung zur Manipulation von in einem magnetischen
Medium gespeicherten Domäneninformationen,
Fig. 2: eine Darstellung der Symmetrie typischer Domänengrenzkontraste eines
planar-magnetisierten Dünnschichtmediums.
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 10 6 A mm 2 hindurchgeleitet werden. Unter dem Medium 1 ist ein an sich bekannter magnetoresistiver Lesekopf 7 angeordnet, mit dem die gespeicherten Domäneninformationen ausgelesen werden.
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.
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.
Außerdem ist im Laserstrahl eine zweite Einrichtung 5 angeordnet. Mit dieser kann der Fokus des Laserstrahls verändert werden.
Die Parameter des Laserstrahls sind wie folgt gewählt:
- Wellenlänge: 1 .000 nm
- Pulsdauer: 50 fs (50 Femtosekunden)
- Fluenz: 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.
Die Laserimpulse kön nen sowoh l zu m Sch re i ben al s a uch zu m Lesen der Domäneninformationen benutzt werden:
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.
Zitierte Literatur
[1 ] A. V. Kimel, A. Kirilyuk, and Th. Rasing, Femtosecond opto-magnetism: ultrafast laser manipulation of magnetic materials, Laser & Photon. Rev. 1 , 275 (2007).
[2] WO 2007/136243 A1
[3] C. D. Stanciu, F. Hansteen, A. V. Kimel, A. Kirilyuk, A. Tsukamoto, A. Itoh, and Th Rasing, All-Optical Magnetic Recording with Circularly Polarized Light, Phys. Rev Lett.99, 047601 (2007).
[4] C. D. Stanciu, F. Hansteen, A. V. Kimel, A. Tsukamoto, A. Itoh, A. Kirilyuk, and Th. Rasing, Ultrafast Interaction of the Angular Momentum of Photons with Spins in the Metallic Amorphous Alloy GdFeCo, Phys. Rev. Lett.98, 207401 (2007).
[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
[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)
[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)
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