Nanowirbel mit besonderer Eigenschaft

In manchen magnetischen Materialien lassen sich wirbel­förmige Nano-Strukturen erzeugen, Skyrmionen genannt. Forscher des Paul-Scherrer-Instituts in der Schweiz haben jetzt erst­mals anti­ferro­magnetische Skyrmionen erschaffen und nach­ge­wiesen. Ihre Besonder­heit: In ihnen sind entscheidende Bausteine gegen­läufig zuein­ander ausge­richtet. Der Nachweis gelang den Forschern mittels Neutronen­streuung. Die Entdeckung ist ein wichtiger Schritt in Richtung poten­zieller Anwendungen, zum Beispiel für effi­zientere Computer.

Ob ein Material magnetisch ist, liegt an den Spins der Atome. In einem Kristall sind die Spins je nach Material und Zustand entweder kreuz und quer verteilt oder stehen parallel zueinander. Unter bestimmten Umständen ist es möglich, unter den Spins winzige Wirbel zu erzeugen. Solche Skyrmionen könnten als Speicher-Bits genutzt werden. 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 vom PSI.

Zaharko und ihr Team haben gemeinsam mit Forschern anderer Institutionen eine neue Art Skyrmionen erschaffen und nachgewiesen, bei denen entscheidende Spins gegen­läufig zuein­ander ausge­richtet sind. „Ein großer Vorteil solcher anti­ferro­magnetischer Skyrmionen ist, dass sie sich viel simpler steuern lassen. Legt man einen Strom an, bewegen sie sich einfach gerad­linig“, so Zaharko. Das ist ein großer Vorteil, denn wenn Skyrmionen genutzt werden sollen, wäre es wichtig, sie auch gezielt mani­pu­lieren und platzieren zu können.

Ihre neuartigen Skyrmionen gelangen den Forschern, indem sie sie in einem maßge­schnei­derten anti­ferro­magnetischen Kristall erzeugten. „Anti­ferro­magnetisch bedeutet, dass benach­barte Spins anti­parallel ausge­richtet sind, also einer nach oben und der nächste nach unten zeigt“, erklärt Zaharko. „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 PSI-Forscher mussten ihren Kristall auf rund minus 272 Grad Celsius kühlen sowie ein sehr starkes Magnet­feld von drei Tesla anlegen. Und noch haben die Forscher nicht einzelne anti­ferro­magnetische Skyrmionen erzeugt. Denn um die winzigen Wirbel nach­zu­weisen, nutzten sie die Neutronen­quelle SINQ am PSI. „Hier können wir mittels Neutronen­streuung Skyrmionen sichtbar machen, wenn wir in einem Material sehr viele davon in einer regel­mäßigen Anordnung haben“, so Zaharko.

Doch die Wissenschaftlerin 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.“ Und sobald sich einzelne anti­ferro­magnetische Skyrmionen bei Raum­temperatur erzeugen ließen, wäre eine Anwendung in greif­barer Nähe.

PSI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Gao et al.: Fractional antiferromagnetic skyrmion lattice induced by anisotropic couplings, Nature, online 23. September 2020; DOI: 10.1038/s41586-020-2716-8
• Festkörperstrukturen (O. Zaharko), Forschung mit Neutronen und Myonen, Paul-Scherrer-Institut, Villigen, Schweiz