Skyrmionen unter Kontrolle

Magnetische Skyrmionen sind extrem kleine und sehr stabile Magnetisierungswirbel, die häufig als topologische Quasiteilchen bezeichnet werden, da ein solches Spin-Ensemble eine besondere Stabilität aufweist. Skyrmionen können bewegt und verschoben werden, ohne dass sie sich in ihrer Form und Größe ändern. In ferro­magnetischen Dünnschichten lassen sie sich einfach mit einem elektrischen Stromimpuls oder noch schneller mit einem Laserimpuls erzeugen ‒ allerdings bisher nur an zufälligen Stellen im Material. Sie sind aus zwei Gründen wissenschaftlich interessant: Zum einen könnten magnetische Skyrmionen als Informationsträger in Informations­technologien der Zukunft fungieren. Zum anderen bieten Skyrmionen in dünnen magnetischen Filmen ein ideales Testfeld, um die Dynamik von topologisch nicht-trivialen magnetischen Quasiteilchen zu untersuchen.

Um auf diesem Gebiet Fortschritte zu erzielen, ist jedoch eine zuverlässige Erzeugung des magnetischen Skyrmions an kontrollierten Positionen absolut erforderlich. Einem Forscherteam unter der Leitung des Max-Born-Instituts ist es nun gelungen, die Erzeugung des Skyrmions auf der Nanometerskala zu kontrollieren, und zwar mit zwei unabhängigen Ansätzen: durch He-Ionen-Bestrahlung oder durch die Verwendung von reflektierenden Masken auf der Rückseite des magnetischen Materials.

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Erzeugung, Auslöschung und Bewegung magnetischer Skyrmionen in magnetischen Dünnschichten erzielt. Ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung dieser magnetischen Texturen im Nano- bis Mikrometermaßstab ist deren direkte Abbildung ‒ entweder mit sichtbarem Licht oder mit Röntgenstrahlen. Um aber die dynamischen Eigenschaften des Skyrmions in Verbindung mit seiner räumlichen Struktur untersuchen zu können, muss man ein Video aufnehmen, das aus vielen Einzelbildern besteht. Die direkte Aufnahme eines Skyrmionenfilms auf den relevanten Zeitskalen von Nano- oder sogar Pikosekunden ist jedoch kaum möglich ‒ die für ein Einzelbild erforderliche Aufnahmezeit ist in der Regel zu lang.

Dieses Problem wird normalerweise durch sich wiederholende stroboskopische Messungen mittels Pump-Probe-Experimenten gelöst, bei denen derselbe Prozess während der Bildaufnahme immer wieder wiederholt wird. Um solche zeitaufgelösten Messungen zu ermöglichen, muss die Dynamik des magnetischen Skyrmions kontrollierbar und deterministisch sein. Ein Forscherteam unter der Leitung des Max-Born-Instituts hat nun zwei Methoden entwickelt, um Skyrmionen zuverlässig an gewünschten Positionen zu erzeugen und ihre Bewegung zu steuern ‒ wesentliche Schritte zur Aufnahme von Videos bewegter Skyrmionen und zum Verständnis topologischer Quasiteilchen.

Eine erste Methode beruht auf der gezielten Bestrahlung einer dünnen magnetischen Schicht mit einem fokussierten Heliumionenstrahl, um flexibel Muster verschiedener Formen und Größen im magnetischen Material zu erzeugen. Wichtig ist, dass diese lokale Modifikation durch die sehr leichten Ionen nur die magnetischen Eigenschaften des Materials beeinflusst, während die Schicht strukturell intakt bleibt. Durch den Einsatz von Heliumionen ist es möglich, Positionen zu definieren, an denen Skyrmionen nukleieren, nachdem ihre Entstehung durch einen kurzen elektrischen Strom- oder Laserpuls ausgelöst wurde. Insbesondere erweist sich die magnetische Modifikation als sanft genug, um sogar eine kontrollierte Ablösung des Skyrmions von seinem Entstehungsort und seine anschließende ungehinderte Bewegung zu ermöglichen.

Durch die Kombination einer solchen Entstehungsstelle der Skyrmionen mit einem vorgezeichneten Bewegungspfad konnte das Team außerdem zeigen, dass sich ein magnetisches Skyrmion, das durch elektrische Strompulse erzeugt und bewegt wird, sich kontinuierlich über Dutzende von Mikrometern in einem magnetischen Racetrack hin- und herbewegt ‒ wobei jegliche unerwünschte Seitwärts­bewegung, die für stromgetriebene Skyrmionen typisch ist, vollständig unterdrückt wird.

In einem zweiten Ansatz zur kontrollierten Erzeugung von Skyrmionen entwarfen die Forscher reflektierende, nanostrukturierte Masken auf der Rückseite des magnetischen Materials. Diese Masken ermöglichen es, die Anregungsamplituden, die erreicht werden, wenn der Laser auf den Magnetfilm trifft, mit einer Präzision im Nanometerbereich zu kontrollieren. Dadurch entstehen erlaubte und verbotene Bereiche, in denen Skyrmionen entstehen können. Da die Masken auf der dem Laser abgewandten Seite der Probe präpariert werden, bleibt der Zugang zum Magnetfilm auf der Vorderseite frei, etwa zur Untersuchung der Skyrmionen. Die Verwendung von reflektierenden Masken, die einen ungehinderten Zugang zur Magnetschicht erlauben, kann leicht auf die Untersuchung anderer laser-induzierter Schaltphänomene übertragen werden, um die geschalteten Bereiche im Nanometer­bereich zu kontrollieren.

Die Ergebnisse dieser Studien können sich auch auf die Erforschung neuer Computer- und Datenspeicherkonzepte auswirken. In den letzten Jahrzehnten stieg die Nachfrage nach immer höheren Daten­speicherdichten und effizienten Rechen­kapazitäten, was ein großes industrielles Interesse an der Erforschung magnetischer Effekte hervorgerufen hat, die auf ultraschnellen und ultrakleinen Skalen für technologische Anwendungen auftreten. Ein möglicher Kandidat als Informationsträger der nächsten Generation ist das magnetische Skyrmion. Mit dem Gewinn an Kontrolle über die Skyrmion-Erzeugung und -Bewegung und dem Potenzial für eine weitere Miniaturisierung könnte die Technologie letztlich den Weg für mögliche zukünftige Anwendungen in Skyrmionen-Racetrack­speichern, Schieberegistern und Logikgattern ebnen.

MBI / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichungen
  L.-M. Kern et al.: Deterministic Generation and Guided Motion of Magnetic Skyrmions by Focused He+-Ion Irradiation, Nano Lett. 22, 10, 4028 (2022); DOI: 10.1021/acs.nanolett.2c00670
  L.-M. Kern et al.: Tailoring optical excitation to control magnetic skyrmion nucleation, Phys. Rev. B 106, 054435 (2022); DOI: 10.1103/PhysRevB.106.054435
• Transient Electronic Structure and Nanophysics (S. Eisebitt), Max-Born-Institut, Berlin