Skyrmionen und Antiskyrmionen hoher Ordnung entdeckt

Forscher*innen der Universität Augsburg und der Universität Wien haben in magnetischen Co/Ni-Mehrschichtfilmen bei Raumtemperatur nebeneinander existierende magnetische Skyrmionen und Antiskyrmionen beliebiger topologischer Ladung entdeckt. Ihre Ergebnisse wurden in der renommierten Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht. Die Entdeckung eröffnet neue Perspektiven in der Skyrmionenforschung.

Magnetische Skyrmionen sind lokalisierte, stabile topologische magnetische Spin-Texturen, die einem tornadoartigen Wirbel in einem magnetischen Material ähneln. Sie können sehr klein sein, mit Durchmessern im Nanometerbereich, und verhalten sich wie Teilchen, die bewegt, erzeugt und vernichtet werden können, was sie für "Abakus"-ähnliche Anwendungen in der Informationsspeicherung und in logischen Geräten geeignet macht. 

In ihrem kürzlich im renommierten Fachjournal Nature Physics veröffentlichten Artikel mit dem Titel "Dipolar skyrmions and antiskyrmions of arbitrary topological charge at room temperature" hat eine Forschergruppe der Universität Augsburg unter der Leitung von Manfred Albrecht gezeigt, dass diese Spin-Objekten nur in einem bestimmten Phasengebiet im Stabilitätsdiagramm zu finden sind, in der der Qualitätsfaktor Q einen Wert von etwa 1 hat, der durch das Verhältnis zwischen der uniaxialen magnetischen Anisotropie und der magnetischen Formanisotropie gegeben ist. Dank umfangreicher Simulationen, die von Sabri Koraltan und Kolleg*innen aus der Simulationsgruppe der Universität Wien unter der Leitung von Dieter Suess und mit Unterstützung von Nikolai Kiselev vom Forschungszentrum Jülich durchgeführt wurden, konnten die Forscher*innen auch die genauen Gründe für das Auftreten von Spin-Objekten im Stabilitätsdiagramm, den zugrundeliegenden Entstehungsprozess sowie die notwendigen Materialeigenschaften identifizieren, die nun auch auf andere Materialsysteme übertragen werden können.

Die Entdeckung dieser neuartigen Spin-Objekte mit beliebiger topologischer Ladung verspricht Fortschritte in der Grundlagen- sowie der angewandten Forschung. Sie könnte insbesondere bei der Weiterentwicklung von Informations-Speichertechnik Anwendung finden.

"Wir sind begeistert von den spannenden Erkenntnissen, die wir durch die Entdeckung dieser Spin-Objekte gewonnen haben, die einfach bei Raumtemperatur hergestellt werden können. Dies ist ein großartiger wissenschaftlicher Fortschritt auf dem Gebiet der Skyrmionen und topologischen Spin-Texturen", sagt Albrecht. Diese nanoskaligen Spin-Objekte bieten zusätzliche Freiheitsgrade und können in Dünnschicht-Bauelemente eingebettet werden, die verschiedene Anwendungen ermöglichen, von unkonventionellen Computern bis hin zu neuen Speicherkonzepten.

Ein weiterer sehr wesentlicher Aspekt von Spin-Objekten ist, dass ein spinpolarisierter Strom ihre Bewegung induziert. Wenn ein Ladungsstrom durch ein leitendes magnetisches Material fließt, übt der polarisierte Elektronenspin ein Drehmoment auf die Magnetisierung aus, das als Spin-Transfer-Drehmoment bezeichnet wird. Dieses Drehmoment kann die Skyrmionen höherer Ordnung in Bewegung versetzen. "Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnten wir die effiziente Kontrolle der Bewegung dieser außergewöhnlichen Spin-Objekte demonstrieren, was weitere Möglichkeiten für Skyrmionen-Bauelemente eröffnet", sagt Koraltan, Doktorand der Simulationsgruppe an der Universität Wien.

In der Studie wurde die Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie an der Universität Augsburg intensiv genutzt und wird derzeit erweitert, um die strominduzierte Bewegung dieser Spin-Objekte sichtbar zu machen. "Inwieweit sich unsere Vorhersagen über ihre Bewegungseigenschaften experimentell bestätigen lassen, wird in naher Zukunft sehr spannend zu erforschen sein", erklärt Mariam Hassan, Postdoktorandin an der Universität Augsburg.

Publikation in Nature Physics:

M. Hassan, S. Koraltan, A. Ullrich, F. Bruckner, R.O. Serha, K.V. Levchenko, G. Varvaro, N.S. Kiselev, M. Heigl, C. Abert, D. Suess, and M. Albrecht: "Dipolar skyrmions and antiskyrmions of arbitrary topological charge at room temperature", Nature Physics (2024).
DOI: 10.1038/s41567-023-02358-z

Abbildung:

Abb. 1: C: Universität Augsburg / Thomas X. Stoll