Sichtbare 3D-Struktur von Skyrmionen

Skyrmionen sind dreidimensionale Strukturen, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie sind wenige Nanometer kleine Magnetwirbel, in denen sich atomare Ele-mentarmagnete in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Skyrmionen sind topologisch geschützt, also in ihrer Form unveränderbar. In den 1950er Jahren vom Mathematiker Tony Skyrme beschrieben, war es bis heute nicht möglich, ihre weniger als hundert Nanometer kleine dreidimensionale Struktur sichtbar zu machen.

Genau dieses Ziel hat nun ein internationales Forscherteam erreicht. Die Wissenschaftler forschen am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, unterstützt von Kollegen aus China, Italien und Großbritannien. Zusammen konnten sie die dreidimensionale Struktur von Skyrmionen erstmals abbilden. „Bis heute hatte niemand die Möglichkeit, die dreidimensionale Struktur der Skyrmionen zu sehen“, sagt Gisela Schütz, Direktorin am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Sie leitet dort die Abteilung für Moderne Magnetische Systeme. „Wir sind die ersten, die ein hochauflösendes, dreidimensionales Bild dieser Struktur erhal-ten konnten.“ Weil ein Skyrmion kleiner als hundert Nanometer ist, nutzen die Forscher bei der Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie unter anderem die Ptychographie. „Mit ihr haben wir die allerbeste Auflösung für Röntgenlicht und sind dabei noch hochempfindlich auf magnetische Details. Nur so konnten wir auch die inneren magnetischen Strukturen sehen“, sagt Schütz. 

Die Forscher setzten ein hochauflösendes Röntgenmikroskop angesiedelt am Bessy II in Berlin ein (MAXYMUS). Im Anschluss folgte eine Messung von Bessys britischem Pendant Diamond in Oxfordshire am Rasor-Strahlplatz. Dabei hat das Forscherteam entdeckt, dass die dreidimensionale Struktur des Skyrmions komplizierter ist als angenommen. „Wir haben herausgefunden, dass vier magnetische Wechselwirkungen zusammenspielen und zur Ausbildung der 3D-Struktur führen. Allerdings ist die einfache Dipolkopplung maßgebend entgegen bisherigen Erwartungen“, erklärt Joachim Gräfe, Leiter der Forschungsgruppe Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik am MPI-IS.

„Die Entschlüsselung der tatsächlichen Geometrie war die Voraussetzung zum Verständnis und damit zur Manipulation der derzeit weltweit erforschten Skyrmionen“, sagt Gräfe. Die Ergebnisse könnten insbesondere für die Entwicklung und später auch Herstellung spintronischer Bauteile wichtig werden. Magnetische Datenträger, die Informationen in Skyrmionen speichern, wären topologisch stabilisiert und daher wenig störanfällig. „Um Skyrmionen in Datenspeichern einzusetzen, muss man natürlich die Struktur genau kennen und verstehen“, so Gräfe. „Mit unserer Arbeit haben wir die Grundlagenforschung in diesem Bereich einen Schritt weitergebracht.“
 

MPI-IS / JOL