Kurzfassung
Das 'Kryder Gesetz' sagt eine Verdopplung der
Speicherkapazität von konventionellen Festplatten alle 13
Monate voraus. In den letzten drei Jahren hat die
Speicherkapazität jedoch nicht wie erwartet zugenommen.
Vielleicht stößt die gängige
Festplattentechnik inzwischen an ihre Grenzen?
Die vorliegende Arbeit soll dazu beitragen, den Anstieg der
Speicherkapazität
in Zukunft wieder zu erhöhen. Um das zu erreichen, werden mit
Hilfe von Monte
Carlo Simulationen das Schaltverhalten von ferromagnetischen Teilchen
einer Größe von nur wenigen Nanometern untersucht.
Insbesondere befasst sich die Arbeit mit der Frage, ob sich eine
schmale Domänenwand mit Hilfe eines polarisierten Tunnelstroms
durch einen hart-magnetischen Nanodraht bewegen lässt. Der
Tunnelstrom wird dabei durch die magnetische Spitze eines
Rastertunnelmikroskops (RTM) in den Nanodraht induziert. Die
Tunnel-Elektronen des polarisierten Stromes üben ein
Drehmoment auf die Magnetisierung der Atome direkt unterhalb der
RTM-Spitze
aus und führen dadurch zu einer Verschiebung der
Domänenwand. Darüber hinaus
werden die superparamagnetischen Eigenschaften, also der Einfluss der
Temperatur auf das Schalten von immer kleiner werdenden
hart-magnetischen Nanoteilchen ermittelt. Insbesondere wird untersucht,
wie die Geometrie der Teilchen das Schalten beeinflusst.
Es wird eine klassische Monte Carlo Simulation verwendet, die auf einem
Einzel-Spin-Update Metropolis Algorithmus basiert. Die untersuchten
Nanoteilchen sind in einer Monolage mit offenen Randbedingungen
angeordnet und bestehen aus 50-1600 Atomen. Die magnetischen Momente
der Atome werden durch das Heisenberg Modell beschrieben. Die Atome
treten miteinander über einen ferromagnetischen Austausch bis
zum drittnächsten Nachbarn in Wechselwirkung und besitzen eine
starke magnetische Anisotropie, die zu einer Magnetisierungsausrichtung
entlang einer Achse in der Ebene führt.
Die Simulationen zeigen, dass es möglich ist, eine einzelne
Domänenwand in
einem Nanodraht mit Hilfe eines lokal eingespeisten Stromes gezielt zu
verschieben. Es wird aber auch gezeigt, dass magnetische Defekte,
beschrieben durch Gitterpunktemit veränderten magnetischen
Eigenschaften, eine erfolgreiche Manipulation der Domänenwand
durch Pinning an den Defekten erschweren oder sogar verhindern
können. Temperaturabhängige Simulationen ergeben,
dass man durch die Auswertung der Korrelationen zwischen den
magnetischen Momenten der Atome die superparamagnetischen Eigenschaften
der Teilchen genau definieren kann. Aus den Simulationen lassen sich
die kritischen Temperaturen bestimmen, bei denen sich die magnetischen
Eigenschaften des Teilchens verändern. Eine Untersuchung
der Magnetisierungsdynamik von Fe/W(110) Nanoinseln weist, wie bereits
experimentell vorhergesagt, eine deutliche Abhängigkeit von
der Geometrie der Inseln auf. Der Grund hierfür liegt in dem
anisotropen Austausch sowie in dem Mechanismus der
Magnetisierungsumkehr.
Die vorgestellten Simulationen geben einen tieferen Einblick in die
Schaltprozesse von ferromagnetischen Nanoteilchen. Die daraus
gewonnenen Erkenntnisse sindhilfreich für die Entwicklung von
zukünftigen magnetischen Speichermedien oder für die
Entwicklung maßgeschneiderter Nanostrukturen, in denen eine
Magnetisierungsumkehr gezielt erschwert oder erleichtert werden soll.
Kryder’s law predicts a doubling of the capacity of commodity
hard drive devices every 13 months. However, the capacity did not
increase as expected in the past three years. Perhaps today’s
hard drive technology does reach its limits?
The present work shall support the development of future storage
devices with
increased storage capacity. In order to do so the magnetization
switching of ferromagnetic particles of only a few nanometer in size
has been investigated in the framework of Monte Carlo simulations. A
focus of the present work lies on the question if a narrow domain wall
could be moved through a hard magnetic nanowire by means of a
spin-polarized tunneling current. By controlling the position of the
domain wall one can precisely control the magnetization of the
particle. In the simulations the current is induced into the nanowire
by the magnetic tip of a scanning tunneling microscope (STM). The
tunneling electrons of the polarized current exert a torque on the
magnetization of the atoms underneath the tip, which can lead to a
displacement of the domain wall. Additional simulations focus on the
superparamagnetic properties of nanoparticles. The influence of the
temperature on the magnetization switching of particles with ever
decreasing size is investigated. In particular the impact of the shape
of the islands on the magnetization switching is addressed.
A classical Monte Carlo simulation is used, which is based on a single
spin update Metropolis algorithm. The studied nanoparticles are
arranged in a monolayer with open boundary conditions and consist of
50-1600 atoms. The magnetic moments, thus, the spins of the atoms are
described by the Heisenberg model. The atoms interact with each other
via the exchange interaction up to third nearest neighbors and exhibit
a strong uni-axial magnetic anisotropy lying in-plane.
The simulations reveal that it possible to address and move a single
domain wall in a nanowire by means of a spin-polarized tunneling
current. Furthermore, it is shown, that magnetic defects present in the
wire impede or even prevent a propagation of the domain wall. The
defects are described as atoms with altered magnetic properties, which
can lead to a pinning of the domain wall. Temperature dependent
simulations of the spin-spin correlation function of the atoms allowed
to study the particle’s superparamagnetic properties. From
the analysis of the correlation function the critical temperatures have
been defined; hence, the temperatures at
which the particle changes it’s magnetic properties. A study
of the magnetization dynamics of Fe/W(110) nanoislands of different
size and shape at different temperatures in the superparamagnetic
regime confirmed experimental results, which found the magnetization
dynamics to be strongly dependent on the shape of the islands. This
shape dependency is a result of an anisotropic exchange interaction and
the underlying switching mechanism.
The simulations presented permit a deeper insight into the switching
process
of ferromagnetic nanoparticles. The results obtained are helpful for
the development of future magnetic storage devices and also for the
development of tailored nanostructures, which hinder or favor
magnetization reversal.