Wirbel aus dem Nichts

Seit ihrer experimentellen Entdeckung sind magnetische Skyrmionen – winzige magnetische Knoten – in den Fokus der Forschung gerückt. Wissenschaftler aus Hamburg und Kiel konnten nun zeigen, dass sich einzelne magnetische Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern in magnetischen Metallfilmen auch ohne ein äußeres Magnetfeld stabilisieren lassen. 
 

Die Existenz magnetischer Skyrmionen als teilchenartige Objekte ist bereits vor dreißig Jahren von theoretischen Physikern vorhergesagt worden, konnte aber erst 2013 experimentell nachgewiesen werden. Skyrmionen mit einem Durchmesser von Mikrometern bis zu wenigen Nanometern sind in unterschiedlichen magnetischen Material­systemen bekannt. Obwohl sie auf einer Fläche von wenigen Atomen erzeugt und mit elektrischen Strömen manipuliert werden können, zeigen sie eine hohe Stabilität gegenüber äußeren Einflüssen. Das macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Datenspeicher oder Logik-Bauelemente. Um für technologische Anwendungen konkurrenz­fähig zu sein, müssen Skyrmionen allerdings nicht nur sehr klein, sondern auch ohne ein angelegtes Magnetfeld stabil sein. 

Einen wichtigen Schritt in diese Richtung haben nun Forscher der Universitäten Hamburg und Kiel gemacht. Ausgehend von quanten­mechanischen numerischen Rechnungen, die auf den Supercomputern des Norddeutschen Verbundes für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN) durchgeführt worden sind, konnten die Kieler Physiker vorhersagen, dass in einem atomar dünnen, ferro­magnetischen Kobaltfilm einzelne Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern auftauchen sollten. „Die Stabilität der magnetischen Knoten in diesen Filmen beruht auf einer ungewöhnlichen Konkurrenz magnetischer Wechsel­wirkungen“, so Sebastian Meyer, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Stefan Heinze an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel.

Diese Vorhersage wurde von Hamburger Forschern um Kirsten von Bergmann mittels hochauflösender Raster­tunnel­mikroskopie anschließend bestätigt. Die Tieftemperatur-Messungen von Marco Perini, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Roland Wiesendanger, zeigen in den präparierten Kobaltfilmen magnetische Skyrmionen, ohne dass ein externes Magnetfeld angelegt werden musste. „Bislang wurden einzelne Skyrmionen fast immer durch Magnetfelder erzeugt. In unseren Metallfilmen treten die Skyrmionen dagegen spontan auf“, erläutert Kirsten von Bergmann. 

„Für zukünftige Anwendungen in der Spinelektronik müssen die Skyrmionen aber nicht nur bei extrem tiefen Temperaturen stabil sein, wie in den untersuchten Metallfilmen, sondern auch bei Umgebungs­temperatur. Um diesen nächsten Schritt in Richtung Anwendung zu realisieren, kann die hier gefundene Konkurrenz der magnetischen Wechselwirkung einen großen Beitrag leisten.“ 

U. Hamburg / DE
 

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Meyer et al.: Isolated zero field sub-10 nm skyrmions in ultrathin Co films, Nat. Commun., online 23. August 2019; DOI: 10.1038/s41467-019-11831-4
• Nanoscience (R. Wiesendanger), Universität Hamburg
• Spintronics Theory Group (S. Heinze), Christian-Albrechts-Universität zu Kiel