16.10.2019

Tanzende Skyrmionen

Mikrowellen erlauben eine bessere Kontrolle der magnetischen Spinwirbel.

In bestimmten magnetischen Materialien wie Cu2OSeO3 entstehen magnetische Wirbel. Diese Skyrmionen lassen sich durch niedrige elektrische Ströme kontrollieren, was eine energie­sparende Daten­verarbeitung ermöglichen könnte. Nun ist es einem Team gelungen, an Bessy II eine neue Technik zu entwickeln, um diese Wirbel präzise zu vermessen und dabei die drei unter­schiedlichen Eigen­schwingungen zu beobachten.

Abb.: Diese Illustration zeigt Skyr­mionen in einer ihrer Eigen­schwingungen....
Abb.: Diese Illustration zeigt Skyr­mionen in einer ihrer Eigen­schwingungen. Hier drehen sie im Uhrzeiger­sinn. (Bild: Y. Kippe, HZB)

Cu2OSeO3 ist ein Material mit besonderen magnetischen Eigen­schaften. So bilden sich in einem bestimmten Temperatur­bereich bei einem kleinen äußeren Magnetfeld ;magnetische Spinwirbel. Aktuell sind dazu moderat tiefe Temperaturen um die sechzig Kelvin erforderlich, es scheint aber möglich zu sein, diesen Temperatur­bereich auch in die Raum­temperatur zu verschieben. Das Spannende an Skyrmionen ist, dass sie sich sehr leicht bewegen und kontrollieren lassen und damit neue Möglich­keiten für eine energiesparende Daten­verarbeitung bieten. Theoretische Arbeiten hatten vorausgesagt, dass sich mit einem elektrischen Hochfrequenz­feld Skyrmionen gemeinsam und synchron anregen lassen sollten. So könnten sich die Skyrmionen entweder alle gemeinsam im oder gegen den Uhrzeiger­sinn drehen oder aber atmen, indem sie sich ausdehnen und wieder zusammen­ziehen.

Nun ist es dem Team gelungen, in einer einkristal­linen Probe von Cu2OSeO3 erstmals die Dynamik dieser Skyrmionen im Detail zu vermessen. „Konventionelle Methoden wie die ferro­magnetische Resonanz­technik können die Ablenkung der Spins in der Skyrmionen-Phase nicht erfassen und eignen sich daher nicht, um diese selektiven Anregungen zu beobachten. Daher mussten wir uns etwas einfallen lassen“, erklärt Christian Back von der Technischen Universität München. An Bessy II gelang es, eine spin­auflösende Methode mit einem äußeren Mikrowellen­feld zu kombinieren: „So konnten wir die Spins und ihre Ausrichtung präzise kartieren, und zwar für jede Sorte von Spins, die in der Probe vorhanden ist“, erläutert der Florin Radu vom Helmholtz Zentrum Berlin, der gemeinsam mit Kooperations­partnern aus den Unive­rsitäten Regensburg, der Ruhr Universität Bochum sowie der Freien Universität Berlin die Messstation aufgebaut hat. 

Durch ferro­magnetische Resonanz­experimente an einem Bragg-Peak zeigten die Forscher erstmals experimentell, dass sich alle drei Eigenschwingungen in Cu2OSeO3 ausbilden: Sie beobachteten magnetische Wirbel in drei unter­schiedlichen, synchronen Bewegungs­mustern, die sich mit dem Uhr­zeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn drehen oder sich atmend ausdehnen und zusammenziehen. Jedes Bewegungsmuster wird bei einer bestimmten Frequenz des Mikrowellen­feldes erreicht, die vom äußeren Magnetfeld sowie von intrinsischen Parametern der Probe abhängt. Mit Hilfe des Mikrowellenfeldes sind somit Übergänge von einer Eigenschwingung in eine andere möglich. „Das ist ein erster Schritt zur Kontrolle von Skyrmionen“, sagt Radu.

HZB / JOL

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