06.10.2022 • MagnetismusNanophysik

Magnetische Nano-Mosaike

Neue Klasse magnetischer Gitter entdeckt.

Seit etwa zehn Jahren sind magnetische Skyrmionen – teilchen­artige, stabile magnetische Wirbel, die in bestimmten Materialien entstehen können und faszinierende Eigen­schaften besitzen – im Fokus der Forschung: Elektrisch gut zu kontrol­lieren und nur wenige Nanometer groß eignen sie sich für zukünftige Anwendungen in der Spin­elektronik, in Quanten­computern oder in neuro­morphen Chips. Gefunden wurden diese magnetischen Wirbel zunächst in regel­mäßigen Gittern. Später wurden an der Uni Hamburg auch einzelne Skyrmionen beobachtet. Forscher der Unis Kiel und Hamburg haben jetzt eine neue Klasse von spontan auf­tretenden magnetischen Gittern entdeckt. Sie sind zwar mit den Skyrmionen­gittern verwandt, aber ihre atomaren Stabmagnete auf der Nano­meter­skala sind anders ausge­richtet. Ein grund­sätz­liches Verständnis davon, wie solche komplexen Spin­strukturen entstehen, angeordnet sind und stabil bleiben, ist auch für zukünftige Anwendungen nötig.

Abb.: In einem magne­tischen Mosaik­gitter sind die ato­ma­ren...
Abb.: In einem magne­tischen Mosaik­gitter sind die ato­ma­ren Stab­mag­nete eines Eisen­films in Grup­pen ent­weder nach oben (lila) oder nach unten (weiß) aus­ge­richtet. (Bild: A. Kubetzka, U. Hamburg)

„In unseren Messungen haben wir eine hexagonale Anordnung von magnetischen Kontrasten gefunden und das zuerst auch für ein Skyrmionen­gitter gehalten. Erst später wurde klar, dass es ein nano­skaliges magnetisches Mosaik sein könnte“, so Kirsten von Bergmann von der Uni Hamburg. Mit ihrem Team untersuchte sie dünne metal­lische Filme aus Eisen und Rhodium experi­mentell mit spin­polari­sierter Raster­tunnel­mikro­skopie. Damit lassen sich magnetische Strukturen bis hin zur atomaren Skala abbilden. Die beobachteten magnetischen Gitter traten spontan auf wie bei einem Ferro­magneten, also ohne angelegtes magnetisches Feld. „Mit einem Magnetfeld können wir die Mosaik­gitter invertieren, denn die entgegen­gesetzten Spins kompensieren sich nur teilweise“, so André Kubetzka von der Uni Hamburg.

Aufgrund dieser Messungen führte die Gruppe von Stefan Heinze an der Uni Kiel quanten­mechanische Rechnungen auf den Super­computern des Nord­deutschen Verbandes für Hoch- und Höchst­leistungs­rechnen durch. Sie zeigen, dass in den unter­suchten Eisen­filmen die Verkippung der atomaren Stabmagnete in einem Gitter aus magnetischen Wirbeln, also in alle Raum­richtungen, sehr ungünstig ist. Begünstigt wird dort statt­dessen eine nahezu parallele oder anti­parallele Aus­richtung benach­barter atomarer Stabmagnete.

„Dieses Ergebnis hat uns vollkommen überrascht. Ein Gitter aus Skyrmionen kam damit nicht mehr als Erklärung für die experi­men­tellen Beobach­tungen in Frage“, sagt Mara Gutzeit von der Uni Kiel. Erst die Entwicklung eines atomis­tischen Spin­modells brachte Klarheit, dass es sich um eine neuartige Klasse von magnetischen Gittern handeln musste, von den Forschern als „Mosaik­gitter“ bezeichnet. „Wir haben fest­ge­stellt, dass Austausch­terme höherer Ordnung, die erst vor wenigen Jahren vorher­gesagt wurden, diese mosaik­artigen magnetischen Strukturen hervor­rufen“, so Soumyajyoti Haldar von der Uni Kiel.

CAU Kiel / RK

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