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Strom bewegt magnetische Wirbel

Während Peter Grünberg und Albert Fert den Nobelpreis 2007 noch für Arbeiten erhielten, die zu einem bedeutend schnelleren Auslesen von Daten führten, konzentriert sich die Forschung seit einigen Jahren auf die Frage, wie man magnetische Informationen durch elektrische Ströme direkt in Materialien schreiben kann. Problematisch waren bei solchen Arbeiten jedoch bislang die erforderlichen extrem hohen Stromstärken, deren Nebeneffekte selbst in Nanostrukturen kaum zu bändigen waren.

Professor Christian Pfleiderer und Erstautor Florian Jonietz Professor Christian Pfleiderer und Erstautor Florian Jonietz Professor Christian Pfleiderer und Erstautor Florian Jonietz bereiten am Instrument MIRA des FRM II eine Probe vor.
Professor Christian Pfleiderer und Erstautor Florian Jonietz bereiten am Instrument MIRA des FRM II eine Probe vor.

Im Jahr 2009 entdeckten Professor Christian Pfleiderer und sein Team vom Physik-Department der TUM in einem Kristall aus Mangansilizium eine völlig neuartige magnetische Struktur, ein Gitter aus magnetischen Wirbeln. Angeregt wurden die Experimente in Garching durch theoretische Vorhersagen von Professor Achim Rosch an der Universität zu Köln und Professor Rembert Duine an der Universität Utrecht. Sie erwarteten sich neue Ergebnisse im Bereich der sogenannten Spintronics, Nanoelektronik-Bausteine, die nicht nur die elektrische Ladung von Elektronen sondern auch ihr magnetisches Moment, den Spin, zur Informationsverarbeitung nutzen.

Als die Wissenschaftler um Christian Pfleiderer einen elektrischen Strom durch das Material Mangansilizium schickten, beobachteten sie mit Hilfe von Neutronen an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz eine Drehung des Gitters aus magnetischen Wirbeln, die aber zunächst unerklärt blieb. Interessanter als die Drehung war das neu entdeckte magnetische Gitter [2].

Strom bewegt magnetische Wirbel Strom bewegt magnetische Wirbel Animation: Ein Elektron (schwarze Kugel) fliegt über ein Gitter von magnetischen Wirbeln. Die dabei übertragenen Kräfte erlauben es, die magnetischen Strukturen mit relativ kleinen Strömen zu kontrollieren.
Animation: Ein Elektron (schwarze Kugel) fliegt über ein Gitter von magnetischen Wirbeln. Die dabei übertragenen Kräfte erlauben es, die magnetischen Strukturen mit relativ kleinen Strömen zu kontrollieren.

In der Folge versuchten Christian Pfleiderer und sein Team mit weiteren Messungen am Instrument MIRA der Neutronenquelle aufzuklären, warum sich das Gitter unter Strom dreht. Wenn ein Elektron durch den magnetischen Wirbel fliegt, orientiert sich der Elektronenspin an dem Wirbel (siehe Animation). So erzeugt der elektrische Strom eine Kraft auf die magnetischen Wirbel, die diese schließlich zum Fließen bringt.

Kontrolle der magnetischen Strukturen Kontrolle der magnetischen Strukturen Ein Elektron (schwarze Kugel) fliegt über ein Gitter von magnetischen Wirbeln. Die dabei übertragenen Kräfte erlauben es, die magnetischen Strukturen mit relativ kleinen Strömen zu kontrollieren.
Ein Elektron (schwarze Kugel) fliegt über ein Gitter von magnetischen Wirbeln. Die dabei übertragenen Kräfte erlauben es, die magnetischen Strukturen mit relativ kleinen Strömen zu kontrollieren.

Nach weiteren Messungen stellte das Team um Christian Pfleiderer und Achim Rosch schließlich fest, dass die neu entdeckten Gitter aus magnetischen Wirbeln Eigenschaften besitzen, die in der Nanotechnologie schon länger von Interesse sind und unter anderem zu neuen Datenspeichern führen könnten. Insbesondere sind die magnetischen Wirbel sehr stabil und zugleich extrem schwach im Material verankert, so dass schon kleinste elektrische Ströme Verschiebungen ermöglichen. Auf diese Weise könnten Daten in Zukunft erheblich schneller und effizienter geschrieben und verarbeitet werden.

Originalpublikation

[1] F. Jonietz, S. Mühlbauer, C. Pfleiderer, A. Neubauer, W. Münzer, A. Bauer, T. Adams, R. Georgii, P. Böni, R. A. Duine, K. Everschor, M. Garst, A. Rosch, Spin Transfer Torques in MnSi at Ultra-low Current Densities, Science, 330, 6011, 17 December 2010, DOI: 10.1126/science.1195709

Publikation über die Entdeckung

[2] S. Mühlbauer, B. Binz, F. Jonietz, C. Pfleiderer, A. Rosch, A. Neubauer, R. Georgii, P. Böni, Skyrmion Lattice in a Chiral Magnet, Science, Vol. 323 no. 5916 pp. 915-919, 13 February 2009 – DOI: 10.1126/science.1166767

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