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28.09.2020

Nanowirbel auf der Zielgeraden

Skyrmionen Skyrmionen Skyrmionen sind Nano-Strukturen: winzige Wirbel in der magnetischen Ausrichtung der Atome. Nun haben Forscher des PSI in der Schweiz erstmals sogenannte antiferromagnetische Skyrmionen erschaffen. Darin sind entscheidende Spins gegenläufig ausgerichtet. Hier eine künstlerische Darstellung dieses Zustands. © Paul Scherrer Institute/Diego Rosales

Skyrmionen sind Nano-Strukturen: winzige Wirbel in der magnetischen Ausrichtung der Atome. Nun haben Forscher des PSI in der Schweiz erstmals sogenannte antiferromagnetische Skyrmionen erschaffen. Darin sind entscheidende Spins gegenläufig ausgerichtet. Hier eine künstlerische Darstellung dieses Zustands. © Paul Scherrer Institute/Diego Rosales

Forscher haben erstmals antiferromagnetische Skyrmionen erschaffen, in denen entscheidende Bausteine gegenläufig zueinander ausgerichtet sind. Der Nachweis gelang mittels Neutronen am MLZ und zwei anderen Neutronenquellen in der Schweiz und Frankreich. Die Entdeckung, publiziert in Nature, könnte es in Zukunft ermöglichen, effizientere Computer zu entwickeln.

Ob ein Material magnetisch ist, liegt an den sogenannten Spins der Atome. Die Spins kann man sich wie winzige Stabmagnete vorstellen. In einem Kristall, in dem die Atome feste Plätze in einem Gitter einnehmen, sind diese Spins je nach Material und Zustand entweder kreuz und quer verteilt oder stehen parallel geordnet wie die Speere einer römischen Legion.

Unter gewissen Umständen ist es möglich, in dem Heer der Spins winzige Wirbel zu erzeugen: sogenannte Skyrmionen, die 2009 mit Hilfe von Neutronen an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz entdeckt wurden.

Wissenschaftler interessieren sich für Skyrmionen, da diese für zukünftige Technologien, beispielsweise effizientere Computer, eine Rolle spielen könnten. So könnten Skyrmionen als Speicher-Bits genutzt werden: Ein Skyrmion könnte eine digitale 1 darstellen, sein Fehlen eine 0. Da Skyrmionen deutlich kleiner sind als die Bits bisheriger Speichermedien, ließen sich Daten enger packen als bisher – und womöglich auch energieeffizienter sowie schneller schreiben und lesen. Sowohl für die klassische Datenverarbeitung als auch für Quantencomputer könnten Skyrmionen deshalb von Nutzen sein.

Für die Anwendung ebenfalls interessant ist, dass sich in manchen Materialien Skyrmionen erzeugen und steuern lassen, indem man Strom anlegt. „Allerdings ist es bei bisherigen Skyrmionen schwierig, sie gezielt von A nach B zu bewegen. Denn ihre eigenen Eigenschaften sorgen dafür, dass sie vom geraden Weg abgelenkt werden“, erklärt Oksana Zaharko, Forschungsgruppenleiterin am Paul Scherrer Insitut (PSI), Schweiz.

Zaharko und ihr Team haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern anderer Institutionen eine neue Art Skyrmionen erschaffen und nachgewiesen, dass sie eine Besonderheit haben: In ihrem Inneren sind entscheidende Spins gegenläufig zueinander ausgerichtet. Die Forscher nennen ihre Skyrmionen daher antiferromagnetisch.

Zielgerade von A nach B

Dr. Astrid Scheidewind Dr. Astrid Scheidewind Dr. Astrid Schneidewind leitet das Team am Instrument PANDA des MLZ. Sie und ihr Kollege Petr Cermak halfen dabei, die antiferromagnetischen Skyrmionen mit Neutronen nachzuweisen. © Wolfgang Filser / TUM

Dr. Astrid Schneidewind leitet das Team am Instrument PANDA des MLZ. Sie und ihr Kollege Petr Cermak halfen dabei, die antiferromagnetischen Skyrmionen mit Neutronen nachzuweisen. © Wolfgang Filser / TUM

„Ein großer Vorteil von antiferromagnetischen Skyrmionen ist, dass sie sich viel einfacher steuern lassen: Legt man einen Strom an, bewegen sie sich einfach geradlinig“, so Zaharko. Wenn Skyrmionen genutzt werden sollen, wäre es wichtig, sie auch gezielt manipulieren und platzieren zu können.

Die Forscher erzeugten die neuartigen Skyrmionen in einem maßgeschneiderten antiferromagnetischen Kristall. Zaharko erklärt: „Antiferromagnetisch bedeutet, dass benachbarte Spins antiparallel ausgerichtet sind, also einer nach oben und der nächste nach unten zeigt. Was also zunächst eine Eigenschaft des Materials war, sahen wir dann auch innerhalb der einzelnen Skyrmionen.“

Noch fehlen einige Schritte, bis antiferromagnetische Skyrmionen reif sind für eine technologische Anwendung: Die Forscher des PSI mussten ihren Kristall auf rund minus 272 Grad Celsius kühlen sowie ein sehr starkes Magnetfeld von drei Tesla anlegen; dies entspricht ungefähr dem Hunderttausendfachen des Erdmagnetfelds.

Neutronen am PANDA machen die Skyrmionen sichtbar

Um die winzigen Wirbel nachzuweisen, nutzten die Forschenden das Dreiachsenspektrometer PANDA des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums am MLZ, sowie die Neutronenquellen am PSI und dem französischen Institut Laue-Langevin. „Hier können wir mittels Neutronenstreuung Skyrmionen sichtbar machen, wenn wir in einem Material sehr viele davon in einer regelmäßigen Anordnung haben“, erklärt Zaharko.

Bislang haben die Forscher keine einzelnen antiferromagnetische Skyrmionen erzeugt. Doch die Chemikerin ist optimistisch: „Ich habe die Erfahrung gemacht: Wenn wir es schaffen, Skyrmionen in regelmäßiger Anordnung zu erzeugen, kommt bald darauf jemand, dem es gelingt, das Gleiche mit einzelnen Skyrmionen zu machen.“

Sobald sich einzelne antiferromagnetische Skyrmionen bei Raumtemperatur erzeugen lassen, wäre eine Anwendung in greifbarer Nähe.

Original Text:
Laura Hennemann / Paul Scherrer Institut

Originalveröffentlichung

Fractional antiferromagnetic skyrmion lattice induced by anisotropic couplings. S. Gao, H.D. Rosales, F.A. Gómez Albarracín, V. Tsurkan, G. Kaur, T. Fennell, P. Steffens, M. Boehm, P. Čermák, A. Schneidewind, E. Ressouche, D.C. Cabra, C. Rüegg, O. Zaharko. Nature 23 September 2020 (online). DOI: 10.1038/s41586-020-2716-8

Weitere Informationen:

Pressemitteilung des Paul-Scherrer Instituts

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