Neue magnetische Quasipartikel in Multischichten

Skyrmionen sind magnetische Wirbel, die durch ihre spezielle Form topologisch geschützt und somit besonders stabil sind. Das macht sie interessant für eine Reihe von Anwendungen, zum Beispiel in neuartigen Daten­speichern. Forschern der Uni Augsburg ist es jetzt gelungen, eine neue Art dieser Skyrmionen rein durch magnetische Dipol­wechsel­wirkung in dünnen magnetischen Multi­schichten zu stabili­sieren und nach­zu­weisen – Anti­skyrmionen erster und zweiter Ordnung. Zusammen mit Forschern der Uni Wien gelang die theoretische Beschreibung dieser Spinobjekte und es konnte ein „Material-Rezept“ entwickelt werden.

Magnetische Momente innerhalb eines Festkörpers bevorzugen normaler­weise eine gemeinsame Ausrichtung in einem magnetischen Feld. Allerdings ist es möglich durch spezielle Material­eigen­schaften und die richtige Wahl des angelegten magnetischen Felds Momentan­ordnungen in speziellen Formen zu erhalten. Ist diese Form der Momente kontinu­ierlich geschlossen, gilt sie als topologisch geschützt und besonders stabil.

Eine Klasse dieser topologisch geschützten Formen sind magnetische Skyrmionen. „Diese kann man sich als nanometer­große Wirbel vorstellen, die sich innerhalb des Materials wie Teilchen verhalten“, erklärt Manfred Albrecht von der Uni Augsburg. Seit gut einem Jahrzehnt sind sie eines der am intensivsten behandelten Forschungs­themen im Magnetismus. Aufgrund ihrer Stabilität und geringen Größe sind sie besonders als Daten­träger für Anwendungen viel­ver­sprechend.

Dabei ist das Konzept einer „Rennstrecke“, in der viele Skyrmionen angetrieben von elektrischem Strom hinter­ein­ander durch das Material rasen, besonders beliebt – das „Race-Track Memory“-Konzept. Um das Potenzial dieses Konzepts zu erhöhen, sind verschiedene Skyrmion­arten, die wiederum verschiedenen Speicher­zuständen entsprechen, besonders interessant.

Problematisch war dabei bislang sowohl die Erzeugung der verschiedenen exotischeren Skyrmion­arten als auch die koexistente Stabili­sierung in einem Material. Den Wissen­schaftlern der Uni Augsburg ist jetzt beides gelungen. Sie erzeugten erstmals ein Anti­skyrmion zweiter Ordnung und beobachteten die Koexistenz von vier verschiedenen Skyrmion­arten und einer topologisch trivialen Struktur.

Dank umfassender Simulationen von Forschern der Uni Wien konnten sie auch den genauen Grund für ihre Entdeckung ausmachen. Die zugrunde­liegenden notwendigen Material­eigen­schaften können damit auch auf andere Systeme angewandt werden. „Derzeit unter­suchen wir weitere Material­systeme, die genau diese Eigen­schaften erfüllen. Inwieweit sich diese Vorher­sagen experi­mentell bestätigen lassen, wird sehr spannend“, erklärt Michael Heigl von der Uni Augsburg.

U. Augsburg / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Heigl et al.: Dipolar-stabilized first and second-order antiskyrmions in ferrimagnetic multilayers, Nat. Commun. 12, 2611 (2021); DOI: 10.1038/s41467-021-22600-7
• AG Magnetismus, Experimentalphysik IV, Universität Augsburg
• Mathematics-Magnetism-Materials, Universität Wien, Österreich