23.04.2020

Einzelne Skyrmionen schreiben

Gebündelter weicher Röntgenstrahl erzeugt gezielt Nanowirbel in magnetischer Schicht.

Mithilfe weicher Röntgenstrahlen konnten deutsche Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart zusammen mit chinesischen Forschern erstmals einzelne Skyrmione in einer magnetischen Schicht kreieren. In zahlreichen Experimenten zeigten sie, dass ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als fünfzig Nanometern einen Magnetwirbel von hundert Nanometern – der kleinsten möglichen Größe – hervorbringen kann. Zufall, denn bisher wusste kein einziger Wissenschaftler der Welt, dass es diese Interaktion zwischen Licht und Materie gibt. An der Forschung beteiligt sind das MPI-IS, die Chinese Academy of Sciences, das Songshan Lake Materials Laboratory in Guangdong, und die Lanzhou University.
 

Abb.: Ein gebündelter weicher Röntgen­strahl mit einem Durch­messer von...
Abb.: Ein gebündelter weicher Röntgen­strahl mit einem Durch­messer von weniger als fünfzig Nanometern schreibt Magnet­wirbel. (Bild: A. Posada, F. Groß)

„Wir wissen nicht, wie Licht Materie schreibt“, sagt Joachim Gräfe, Leiter der Forschungs­gruppe Nanomagnonik und Magnetisierungs­dynamik am MPI-IS. Er ist einer der Hauptautoren der Studie. „Wir können bestimmte Eigenschaften phänomenologisch beschreiben. Wir wissen, dass es mit dem Röntgenstrahl zu tun hat. Es ist nicht nur ein Energieeintrag wie Wärme, der das Skyrmion schreibt. Es ist wirklich ein resonanter Effekt: wir können die Atome, die für den Magnetismus verantwortlich sind, direkt anregen.“

Skyrmionen sind rund hundert Nanometer kleine dreidimensionale Strukturen, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie ähneln kleinen Spulen: atomare Spins, die sich in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Skyrmionen sind topologisch geschützt, d.h. in ihrer Form unveränderbar und gelten daher als energieeffiziente Datenspeicher. 

Einen völlig neuen Effekt zu entdecken ist ein Glücksfall, von denen Wissenschaftler im Laufe ihrer Karriere nur wenige, vielleicht niemals einen erleben. „Das ist mit das spannendste Skyrmion-Projekt, das wir in den vergangenen Jahren umgesetzt haben“, so Gräfe weiter. „Wir haben einen neuen Effekt entdeckt – völlig unerwartet und überraschend für uns.“ Dank der Forschungs­arbeit könne nun praktisch jedermann mit einem Röntgen­strahl verschiedenste Skyrmionen-Anordnungen in magnetischen Schichten schreiben. Das werde mehrere völlig neue Forschungsfelder erschließen. Zielgenau magnetische Strukturen schreiben zu können, eröffne völlig neue Möglichkeiten. 

Die Ergebnisse sind insbesondere für die Entwicklung und Herstellung spintronischer Datenträger relevant, die Informationen in Skyrmionen speichern. Sie gelten als sehr energieeffizient und wenig störanfällig. Doch nur, wenn Skyrmione präzise und passgenau kreiert werden können – und das ist nun erstmals möglich geworden – kann diese Entwicklung ihren Lauf nehmen. „Unser Ziel ist es, dass Röntgenstrahlen in Zukunft als Werkzeug dienen, um die Anordnung magnetischer Strukturen zu bestimmen bzw. zu schreiben.“ 

Um Skyrmion sichtbar zu machen, nutzen die Forscher ein Raster­transmissions-Röntgen­mikroskop: Maxymus, ein hoch­auflösendes Röntgen­mikroskop, 1,8 Tonnen schwer, angesiedelt am BESSY II, der Synchrotron­strahlungs­quelle des Helmholtz-Zentrums Berlin in Adlershof. Maxymus steht für „MAgnetic X-raY Micro- and UHV Spectroscope“. Das Mikroskop ist wie eine Kamera: Es verfolgt in Zeitlupenfilmen, wie sich die Struktur in Materialien auf der Größe nur weniger Nanometer ändert. Das Besondere an diesem Gerät ist sein breites Anwendungs­spektrum – etwas, das viele der weltweit führenden Forscher anzieht. Es gibt weit mehr Anträge, an Maxymus forschen zu wollen, als es die Kapazität hergibt. Das zeige, wie attraktiv die Arbeit mit dem Mikroskop sei, so Gräfe. Toll sei auch, dass mit Maxymus viele gemeinsame Projekte möglich gemacht werden. 

MPI-IS / DE
 

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