Skyrmionen lesen leichtgemacht
Elektrische Widerstandsänderung durch magnetische Wirbelstrukturen entdeckt.
Stabile Wirbel in magnetischen Materialien wurden bereits vor über 25 Jahren vorhergesagt aber erst vor wenigen Jahren experimentell nachgewiesen. Die Entdeckung solcher Skyrmionen in dünnen magnetischen Schichten und Multilagen, die heutzutage in vielen technologischen Anwendungen bereits genutzt werden, und die Möglichkeit, diese Skyrmionen bereits mit geringen elektrischen Stromdichten zu bewegen, hat die Perspektive eröffnet, sie als Bits in neuartigen Datenspeichern zu verwenden.
Abb.: Magnetische Wirbel mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern treten in einem dünnen Film aus Palladium und Eisen auf (unten, Kegel repräsentieren einzelne Atome der Oberfläche und ihre Spitzen zeigen in die Richtung der atomaren Stabmagnete). Der Widerstand, gemessen mit einer metallischen Sonde direkt oberhalb der Oberfläche, ändert sich im Skyrmion verglichen mit der Umgebung (oben, experimentelle Daten entlang einer Schnittlinie durch ein Skyrmion). Die Widerstandsänderung erfolgt kontinuierlich, und hat den größten Wert, wenn die Verkippung zwischen benachbarten atomaren Stabmagneten am stärksten ist, in diesem Fall im Zentrum des Skyrmions. (Bild: U. Hamburg)
Bislang wurden einzelne magnetische Wirbel entweder durch Elektronen-Mikroskopie oder durch Messung der Widerstandsänderung in einem Tunnelkontakt mit einer magnetischen Sonde nachgewiesen. Wissenschaftler der Universität Hamburg demonstrierten nun mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops, dass sich der Widerstand auch dann ändert, wenn man bei der Messung ein nicht-magnetisches Metall verwendet. „In unserem Experiment können wir eine metallische Spitze mit atomarer Präzision über eine Oberfläche bewegen, und so den Widerstand eines Skyrmions an unterschiedlichen Positionen vermessen“, so Christian Hanneken aus der Arbeitsgruppe von Roland Wiesendanger. Dadurch wird die ortsabhängige Widerstandsänderung im magnetischen Wirbel nachgewiesen. „Die beobachtete Widerstandsänderung kann bis zu hundert Prozent betragen und erlaubt damit eine einfache Detektion von Skyrmionen“, wie Kirsten von Bergmann erläutert.
Zusammen mit theoretischen Physikern der Universität Kiel können die Forscher erklären, wie die Widerstandsänderung im magnetischen Wirbel aufgrund der Verkippung der atomaren Stabmagnete von einem Atom zum nächsten zustande kommt. Je größer der Winkel zwischen den benachbarten Stabmagneten ist, desto stärker ändert sich der elektrische Widerstand. „Elektronen besitzen einen Spin, wodurch sie mit der magnetischen Struktur wechselwirken“, so Stefan Heinze von der Uni Kiel. Wenn die Elektronen sich durch den magnetischen Wirbel bewegen, spüren sie die Verkippung zwischen den atomaren Stabmagneten, wodurch sich der Widerstand des Materials lokal ändert. Diesen Effekt konnten die Physiker mittels aufwendiger numerischer Computersimulationen der elektronischen Eigenschaften verstehen und ein einfaches Modell für die Widerstandsänderung entwickeln.
In zukünftigen Anwendungen könnte dieser neu entdeckte Effekt genutzt werden, um die Skyrmionenbits auf einfache Weise auszulesen. Die Möglichkeit, beliebige metallische Elektroden verwenden zu können, erleichtert dabei die Herstellung und den Betrieb der neuartigen Speicherelemente erheblich.
UHH / SK
