Neuer Weg zu magnetischen Monopolen

Ein inter­nationales Team hat an BESSY II einen neuen Weg gefunden, um exotische magnetische Muster wie Monopole oder Wirbel in einer dünnen magnetischen Schicht zu erzeugen. Dies eröffnet neue Möglich­keiten für schnelle und energie­effiziente Daten­speicher. Das neue Materialsystem besteht aus einer supra­leitenden Mikro­struktur, die mit einem extrem dünnen ferromagnetischen Film beschichtet ist. Ein kurzfristig angelegtes äußeres Magnet­feld regt Ströme in den supra­leitenden Bereichen an. Durch diese Ströme werden die gewünschten magne­tischen Muster stabil in die ferro­magnetische Dünnschicht einge­schrieben.

Magne­tische Muster wie Skyrmionen oder Monopole eignen sich, um Daten schneller und mit weniger Energie­einsatz zu speichern. Bisher ist es jedoch schwierig, solche magne­tischen Strukturen kontrolliert in einem Material zu erzeugen und zu manipulieren. Nun hat ein HZB-Team um Sergio Valencia in Kooperation mit einer Gruppe am Institut für Material­wissenschaften in Barcelona einen Weg aufgezeigt, um dies zu leisten. Die spanischen Kooperations­partner haben Mikro­strukturen hergestellt, indem sie auf eine Träger­schicht winzige Punkte aus dem Hochtemperatur-Supra­leiter Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBaCuO) aufbrachten. Dabei stellten sie Proben mit jeweils unter­schiedlich angeordneten Punkten her. Valencia und sein Team bedeckten diese Mikro­strukturen mit einem extrem dünnen Film aus einer weich­magnetischen Eisen-Nickel-Legierung.

Die Experimente fanden bei 50 Kelvin statt, so dass die YBaCuO-Punkte supra­leitend waren. Senkrecht zur Probe legte das Team kurzfristig ein kleines äußeres Magnet­feld an. Dieses Magnet­feld erzeugt innerhalb der YBaCuO-Punkte supra­leitende Ring-Ströme. Auch nach dem Abschalten des äußeren Magnet­felds laufen diese Ströme in den supra­leitenden Punkten weiter und erzeugen ein komplexes magne­tisches Feld, das sich direkt auf die darüber­liegende magnetische Dünn­schicht auswirkt.

Auf diese Weise lassen sich magne­tische Muster in die Dünn­schicht einschreiben, in denen zum Beispiel alle magne­tischen Domänen aufeinander zu oder voneinander weg zeigen. Dies entspricht einem magne­tischen Monopol. Das Team um Valencia konnte die magne­tischen Domänen mit der Methode der Röntgen-Photo-Elek­tronen-Emissions­mikroskopie an BESSY II kartieren. Das Verfahren bildet aus­schließlich die Domänen innerhalb des magne­tischen Eisen-Nickel-Films ab.

Auch theo­retische Simulationen belegen, dass die magnetischen Muster in der Dünnschicht über die Wechsel­wirkung mit den supra­leitenden Bereichen erzeugt werden. Durch die Form der supra­leitenden Bereiche und ihre Abstände zueinander lassen sich eine Vielzahl an exotischen magne­tischen Mustern erzeugen, darunter auch stabile Skyrmionen. „Ich bin sehr optimistisch, dass sich diese Muster weiter minia­turisieren lassen. Damit könnte dieses Material­system ein Kandidat für künftige magne­tische Daten­speicher werden. Außerdem gibt es jetzt schon Ideen dafür, wie es gelingen könnte, solche Material­systeme auch bei Raum­temperatur zu nutzen“, sagt Valencia.

HZB / JOL