Schnell durchmischte Skyrmionen

Kleiner, schneller, energieeffizienter: Die zukünftigen Anforderungen an Computer und Datenspeicher sind schwer zu erfüllen und alternative Konzepte werden ständig erforscht. Kleine magnetische Texturen, Skyrmionen, könnten ein Bestandteil neuartiger Speicher- und Logikbausteine werden. Um für eine technologische Anwendung in Frage zu kommen, ist jedoch eine schnelle und energieeffiziente Steuerung dieser nanometer­großen Skyrmionen erford­erlich.

 

Magnetische Skyrmionen sind teilchenartige Magnetisierungs­bereiche, die sich als sehr kleine Wirbel in einem ansonsten gleichmäßig magnetisierten Material bilden. In bestimmten ferro­magnetischen dünnen Filmen sind Skyrmionen bei Raumtemperatur stabil, mit Durchmessern bis hinunter in den Bereich von zehn Nanometern. Skyrmionen lassen sich durch kurze elektrische Strompulse erzeugen und bewegen. Erst kürzlich wurde entdeckt, dass auch kurze Laserpulse in der Lage sind, Skyrmionen zu erzeugen und zu vernichten. Im Gegensatz zu elektrischen Strompulsen können Laserpulse von Sub-Pikosekunden-Dauer verwendet werden, die einen schnelleren und potenziell energieeffizienteren Weg zum Schreiben und Löschen von mittels Skyrmionen gespeicherten Information bieten. Dies macht das Laser-Skyrmion-Schreiben interessant für technologische Anwendungen, wie für die alternative Realisierung von Speicher- und Logikfunktionen.

Forscher des Max-Born-Instituts haben gemeinsam mit Kollegen des Helmholtz-Zentrums Berlin, des Massachusetts Institute of Technology und weiterer Forschungs­einrichtungen im Detail untersucht, wie sich die laserbasierte Erzeugung und Vernichtung von Skyrmionen kontrollieren lässt, um die Anwendung des Prozesses in Bauelementen zu fördern. Um die magnetischen Skyrmionen abzubilden, nutzte das Team eine auf Holografie basierende Röntgen­mikroskopie, die die winzigen Magnetisierungs­wirbel mit einem Durchmesser von 100 Nanometern und weniger sichtbar machen kann. Da sie die Skyrmionen so sehen konnten, waren die Forscher in der Lage, systematisch zu untersuchen, wie Laserpulse mit unterschiedlicher Intensität in Gegenwart eines externen Magnetfeldes Skyrmionen erzeugen oder löschen können. Untersucht wurden zwei optimierte Materialsysteme, in denen magnetische Skyrmionen entstehen können. Beide bestehen aus mehreren ultradünnen Schichten ferromagnetischer und paramagnetischer Materialien.

Angesichts der thermischen Natur des Prozesses ist es nicht überraschend, dass die Laser­intensität gut gewählt sein muss. Es gibt ein material­abhängiges Fenster von Laserintensitäten zur Erzeugung eines neuen Skyrmionen­musters, das völlig unabhängig vom vorherigen magnetischen Zustand ist. Bei niedrigeren Intensitäten bleibt ein bestehendes Muster unverändert oder wird nur geringfügig verändert, bei viel höheren Intensitäten wird die Mehrschichtstruktur beschädigt. Bemerkenswert ist, dass die Anzahl der Skyrmionen, die innerhalb des Laserfokus entstehen, nicht von der Laserintensität beeinflusst wird. Jedoch fanden die Forscher heraus, dass sich die Dichte der erzeugten Skyrmionen durch das Vorhandensein eines externen Magnetfeldes präzise steuern lässt. Die Stärke des externen Feldes bietet somit einen „Steuerknopf“, um die Anzahl der erzeugten Skyrmionen einzustellen, und ermöglicht sogar die Vernichtung von Skyrmionen.

Sie demonstrierten die kontrollierte Erzeugung oder Vernichtung einzelner Skyrmionen innerhalb des Laserspots, wie es für Anwendungen in der Daten­speicherung erforderlich ist, wo ein einzelnes Bit durch die An- oder Abwesenheit eines Skyrmions dargestellt werden könnte. Von Interesse für mögliche Anwendungen ist jedoch auch die Fähigkeit, eine bestimmte Dichte von Skyrmionen simultan in dem von einem einzigen Laserpuls beleuchteten Bereich zu erzeugen. Dieser Prozess könnte als „Skyrmionen-Reshuffler”, also einem „Mischer” für Skyrmionen, im stochastischen Rechnen eingesetzt werden. Dort werden Zahlen als Folgen aus Zufallsbits von „0” und „1” dargestellt, wobei die Wahrscheinlichkeit, auf „1” zu treffen, den Zahlenwert kodiert.

Berechnungen können dann über logische Verknüpfungen zwischen einzelnen Bits verschiedener Eingangszahlen durchgeführt werden. Obwohl es sich im Vergleich zur vorherrschenden digitalen Logik eindeutig um einen Nischen­ansatz handelt, hat sich das stochastische Rechnen für bestimmte Probleme wie die Bild­verarbeitung als vielversprechend erwiesen. Für korrekte Ergebnisse stochastischer Rechen­operationen werden jedoch vollständig randomisierte Bitfolgen als Eingangs­signale benötigt. Wie in dieser Studie gezeigt wird, kann solch ein zufälliges Mischen von Skyrmionen optisch auf einer Zeitskala von Pikosekunden durchgeführt werden, kompatibel mit der Taktrate moderner Computer und viel schneller als in früheren Konzepten, die auf thermischer Diffusion basieren und auf der Zeitskala von Sekunden arbeiten.

MBI / DE

 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  K. Gerlinger et al.: Application concepts for ultrafast laser induced skyrmion creation and annihilation, Appl. Phys. Lett. 118, 192403 (2021); DOI: 10.1063/5.0046033
• Transient Electronic Structure and Nanophysics (S. Eisebitt), Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie, Berlin

Weitere Beiträge

• Kirsten von Bergmann, Knoten in der Magnetisierung, Physik Journal, Oktober 2020, S. 30 PDF