07.03.2024

Meronen in Antiferromagneten aufgespürt

Kollektive Spinstrukturen als Kandidaten für eine Spintronik-Datenverarbeitung.

Die Daten­verarbeitung in Computern setzt auf Elektronen. Die Spintronik wählt einen anderen Ansatz: Statt der Ladung der Elektronen nutzt man deren magnetisches Moment, den Spin, um Infor­mationen zu speichern und zu verarbeiten – mit dem Ziel, Computer der Zukunft kleiner, schneller und nachhaltiger zu machen. Weitere Möglich­keiten, Informationen im Sinne der Spintronik zu verarbeiten, liegen in der Nutzung von Magnetwirbeln, Skyrmionen genannt, sowie ihren noch recht unbekannten, seltenen Verwandten. Diese Meronen sind kollektive Strukturen zusammengesetzt aus zahlreichen Spins. Bisher traten Meronen nur in natürlichen Antiferro­magneten auf, in denen sie aber nur schwer zu beobachten oder zu beeinflussen sind.

Abb.: Illustration der direkten Beobachtung von antiferromagnetischen Meronen...
Abb.: Illustration der direkten Beobachtung von antiferromagnetischen Meronen und Antimeronen.
Quelle: M. Bhukta, JGU

Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz konnten gemeinsam mit der japanischen Tohoku University und der spanischen ALBA Synchrotron Light Facility nun erstmalig Meronen in synthetisch erzeugten Antiferro­magneten nachweisen – und damit in Materialien, die sich über Standardverfahren herstellen lassen. „Wir konnten quasi ein neues Habitat für eine recht neue, schüchterne Spezies finden“, sagt der Mainzer Physiker Robert Frömter. Die Forschungs­leistung liegt sowohl in der Herstellung des synthetischen Antiferro­magneten – und zwar auf eine Art und Weise, dass sich Meronen darin ausbilden –, als auch im Aufspüren der Meronen. 

Um das passende Material zu entwickeln, das sich aus zahlreichen Schichten zusammensetzt, führten die Forschenden zusammen mit einer Mainzer Theorie­gruppe Simulationen und analytische Berechnungen der Spin­strukturen durch. Wie dick müssen die einzelnen Schichten sein und aus welchem Material sollten sie bestehen, um Meronen zu beherbergen? Warum ist ein bestimmtes Material dafür geeignet? Und wie lassen sich die Meronen stabilisieren?

Parallel näherte sich das Team diesen Fragen experimentell. „Über eine Kombination von Magnetkraft­mikroskopie mit dem weniger bekannten Rasterelektronen­mikroskop mit Polarisationsanalyse konnten wir Meronen in den synthetisch erzeugten Antiferro­magneten detektieren“, erläutert Doktorandin Mona Bhukta. „Und wir konnten die Meronen somit einen weiteren Schritt in Richtung Anwendung bringen.“

Der Leiter der Arbeitsgruppe, Mathias Kläui, freut sich über die Zusammenarbeit mit der führenden japanischen Universität im Bereich der Spintronik: „Wir verfolgen seit über zehn Jahren gemeinsame Aktivitäten mit der Universität Tohoku, unterstützt durch den DAAD und weitere Austausch­projekte. Kürzlich hat sogar ein Doktorand die erste gemeinsam betreute Promotion im Rahmen unseres Kooperations­abkommens mit Tohoku mit Auszeichnung abgeschlossen.“

JGU Mainz / JOL

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