Antiferromagnetische Skyrmionen schwimmen mit dem Strom
Forschende haben die Interaktion dieser Magnetwirbel erstmals bildlich dargestellt und daraus deren Bewegung abgeleitet.
Skyrmionen sind ein vielversprechender Ansatz in der Spintronik: Sie könnten künftig als Bauelemente in Speichermedien oder Computern eingesetzt werden und etablierte CMOS-Technologien ergänzen. Forschende der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz haben nun die Interaktion antiferromagnetischer Skyrmionen erstmals bildlich dargestellt. Wie sich gezeigt hat, bewegen sie sich reproduzierbar auf geraden Bahnen entlang der Richtung des antreibenden elektrischen Stroms . „Unsere Ergebnisse schaffen einen quantitativen Rahmen für die Wechselwirkungen antiferromagnetischer Skyrmionen. Damit ebnen sie den Weg für spintronische Bauelemente, die auf einer Vielzahl an Skyrmionen basieren“, sagt Mona Bhukta aus der Arbeitsgruppe von Mathias Kläui am Institut für Physik der JGU.
Skyrmionen bieten zahlreiche Vorteile: Sie sind nur wenige Nanometer groß, sehr stabil und lassen sich mithilfe elektrischer Ströme gezielt bewegen. In Ferromagneten haben sie bereits wegweisende Fortschritte ermöglicht, etwa für Racetrack-Speicher, Logikgatter und unkonventionelle Rechenkonzepte. Allerdings wird ihr praktischer Nutzen durch den Skyrmion-Hall-Effekt begrenzt: Werden die Skyrmionen durch einen elektrischen Strom in eine bestimmte Richtung angetrieben, bewegen sie sich nicht in Stromrichtung, sondern werden bis zu dreißig Grad seitlich zur Antriebsrichtung abgelenkt.
In antiferromagnetischen Systemen wird der Skyrmion-Hall-Effekt aufgehoben, wie theoretische Arbeiten anderer Forschungsgruppen vorhergesagt hatten. Das Team um Bhukta hat dieses Verhalten nun mit zeitaufgelösten Messungen an einem wechselwirkenden antiferromagnetischen Skyrmionengitter direkt bestätigt. „Wir haben reproduzierbar und innerhalb der experimentellen Unsicherheit gezeigt, dass sich Skyrmionen in antiferromagnetischen Systemen in Stromrichtung bewegen – der Skyrmion-Hall-Effekt dort also nicht zum Tragen kommt“, sagt die Physikerin. Diese Reproduzierbarkeit der Bewegung ist für Skyrmion-Bauelemente extrem wichtig: Für schnelle, effektive Rechenprozesse ist eine zuverlässige, wiederholbare Bewegung vieler Skyrmionen entscheidend.
Für ihre Untersuchungen hatten die Forschenden um Bhukta ein dichtes Gitter wechselwirkender Skyrmionen erzeugt, die einen festen Abstand zueinander hatten. „Wir haben das gesamte Gitter mithilfe kurzer elektrischer Strompulse bewegt und konnten zeigen, dass sich alle Skyrmionen geradlinig entlang des Stroms bewegten“, sagt Bhukta. Um die Skyrmionen und ihre Bewegungen sichtbar zu machen, wurden sie an der Forschungsanlage BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin mit zeitaufgelöster Röntgenmikroskopie untersucht.
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In einem zweiten Experiment regten die Forschenden das Skyrmionengitter erneut mit sehr kurzen Strompulsen, diesmal jedoch bei geringerer Stromdichte, an. „Da dieser Ablauf Milliarden Mal identisch wiederholt wurde, ließ sich daraus ein Film der Bewegung mit Nanosekunden-Zeitauflösung zusammensetzen“, sagt Robert Frömter von der JGU, der an den Untersuchungen beteiligt war. Besonders aussagekräftig ist die Bewegung nach dem Abschalten des Stroms: Einige mobile Skyrmionen werden zunächst gegen benachbarte Skyrmionen gedrückt, die durch lokale Materialinhomogenitäten, Defekte oder Korngrenzen festgehalten werden; nach dem Abschalten des Stroms bewegen sich die mobilen Skyrmionen wieder zurück. „Man kann sich das wie eine dicht gepackte Anordnung weicher Bälle vorstellen, von denen einige lokal verankert sind: Werden die beweglichen Bälle gegen die festgehaltenen gedrückt, verformen sie sich und federn zurück, sobald sie nicht mehr von außen gegen diese gedrückt werden“, erklärt Bhukta. Aus der in Echtzeit auf der Nanosekundenskala beobachteten Rückstoßbewegung können die Forschenden rekonstruieren, wie stark sich die Skyrmionen gegenseitig abstoßen und wie diese Wechselwirkung mit zunehmendem Abstand abnimmt. An der quantitativen Auswertung war Kilian Leutner, Doktorand in der AG Kläui, maßgeblich beteiligt: Er entwickelte und optimierte das physikalische Modell, passte es an die gemessenen Bewegungsbahnen an und führte die mikromagnetischen Simulationen zur Überprüfung der Ergebnisse durch.
Dieses Wechselwirkungspotenzial zwischen Skyrmionen ist vor allem dann relevant, wenn eine Vielzahl von ihnen in Bauelemente integriert werden soll. Wie interagieren die Magnetwirbel miteinander? Welche Abstände und Zeitskalen spielen dabei eine Rolle? Ab welchem Abstand also muss man eine Wechselwirkung der Skyrmionen berücksichtigen? „Unsere Ergebnisse schaffen eine Basis, auf der sich diese Fragen beantworten und Bauelemente mit zahlreichen antiferromagnetischen Skyrmionen realisieren lassen“, sagt Bhukta. [JGU / dre]
