Entzauberte Exotik: Neutronen zeigen, wie sich Skyrmionen bilden

Skyrmionen-Bildung © FRM II / TUM

© FRM II / TUM

Magnetische Skyrmionen könnten Informationen auf kleinerem Raum speichern als heutige Datenträger. Seitdem sie 2009 mit Neutronen am FRM II entdeckt wurden, boomt die Skyrmionenwissenschaft. Zum ersten Mal haben Physiker der Technischen Universität München jetzt am MLZ Skyrmionen mit einem bildgebenden Verfahren untersucht, um genauer aufzuklären, wie sich die magnetischen Wirbelstrukturen in ausgedehnten Volumenproben bilden.

Während man magnetische Skyrmionen in immer mehr Materialien und nun auch schon bei Raumtemperatur nachweisen kann, ist unter den Wissenschaftlern immer noch umstritten, wie genau sich das Skyrmionengitter formt und wie es wieder zerfällt. Durch seine spezielle Wirbelstruktur erhält das Skyrmionengitter besondere Stabilität, die Skyrmionen können sich also nicht einfach auflösen – eben diese Eigenschaft macht Skyrmionen so interessant für Datenspeicherung.

Der Zerfall von Skyrmionen ist in den letzten Jahren schon am FRM II mit Hilfe von Neutronen untersucht worden. Die Skyrmionenphase ist unterhalb der magnetischen Übergangstemperatur von der konischen Phase umgeben. In Messungen von spezifischer Wärme und Magnetisierung zeigt sich aber, dass der Phasenübergang erster Ordnung tatsächlich ein breit ausgedehnter Übergangsbereich ist. „In diesen Bereich haben Forscher in der Vergangenheit zum Teil exotische Physik hineininterpretiert“, sagt Dr. Sebastian Mühlbauer vom MLZ. Um die Bildung der Skyrmionen zu untersuchen, haben die beteiligten Wissenschaftler die Übergangsphase in Mangansilizium an der Radiografieanlage ANTARES bei Dr. Michael Schulz mit einem speziellen Aufbau untersucht.

Radiographien zeigen die Skyrmionen-Bildung Die Radiografie-Aufnahmen zeigen, wie sich die die Skyrmionenphase abhängig vom angelegten Magnetfeld bildet. Nur bei mittleren Feldstärken ist die Probe komplett in der Skyrmionenphase. © FRM II / TUM

Die Radiografie-Aufnahmen zeigen, wie sich die die Skyrmionenphase abhängig vom angelegten Magnetfeld bildet. Nur bei mittleren Feldstärken ist die Probe komplett in der Skyrmionenphase. © FRM II / TUM

Eine mikroskopisch fein gelochte Platte (Micro-Channel-Plate), die Neutronen absorbiert, brachte Reimann in den Neutronenstrahl hinter die Mangansilizium-Probe. Diese Lochplatte wirkt wie ein hochauflösender Kollimator, der es erlaubt, die am Skyrmionengitter gestreuten Neutronen vom Messuntergrund zu trennen. Weil sich der Detektor am ANTARES sehr nahe an der Probe befindet, lässt sich damit direkt ortsaufgelöst beobachten, woher die Neutronen aus der Probe gestreut wurden. Damit war zum ersten Mal genau nachvollziehbar, welcher Teil der Probe sich gerade in der Skyrmionenphase befindet. Im Gegensatz zu mikroskopischen Messungen, die meist nur ein Gesichtsfeld von einigen Mikrometern haben, erlaubt diese Messmethode erstmals eine ortsaufgelöste Untersuchung von makroskopischen Volumenproben.

Sebastian Mühlbauer erklärt: „So konnten wir genau zeigen, dass in dem Übergangsbereich zwischen den beiden Phasen makroskopische Phasenkoexistenz stattfindet. Nicht mehr und nicht weniger. Die Skyrmionenphase bildet sich langsam vom Rand der Probe aus. Das liegt einfach daran, dass das Magnetfeld, welches man an die Probe anlegt, durch die Magnetisierung der Probe selbst verzerrt wird, also nicht überall gleichmäßig verteilt ist.“ Die exotische Physik in der Übergangsphase haben die Wissenschaftler damit entzaubert.