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Wie sich magnetische Nanoknoten lösen

Wissenschaftler aus Aachen, Kiel und Reykjavik veröffentlichen Forschungsergebnisse in Fachzeitschrift Nature Physics

Skyrmionen sind kleine magnetische Wirbel, die durch geeignete Kombination von Materialien entstehen. In der Datenspeicherung gelten sie als zukünftige Informationsträger. Wissenschaftler der RWTH Aachen, der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Universität Reykjavík fanden heraus, dass sich diese sogenannten magnetischen Nanoknoten auf zwei Arten lösen können. Mit Hilfe eines Magnetfeldes lässt sich die Wahrscheinlichkeit der Knotenauflösung um bis zu einen Faktor 10.000 verändern. Diese Erkenntnis könnte wegweisend für die Informationsverarbeitung mit Skyrmionen sein. Die Forschungsergebnisse veröffentlichte die renommierte Fachzeitschrift Nature Physics am 4. Januar 2021.

Magnetische Nanoknoten kodieren die Information durch ihre An- oder Abwesenheit. Von Vorteil ist, dass die Knoten extrem stabil und nur wenige Nanometer groß sind. Sie existieren bei Raumtemperatur und können durch kleinste elektrische Ströme verschoben werden. Aufgrund der kleinen Ströme ist die Information besonders energieeffizient auslesbar. Prinzipiell führen Skyrmionen auch Rechenoperationen durch, so dass Datenspeicherung und -verarbeitung in einer Struktur kombiniert werden könnte. Dies macht Computer kompakter und vor allem energieeffizienter. Aufgrund dieser vielversprechender Perspektiven wird weltweit an der Optimierung der Eigenschaften von Skyrmionen gearbeitet. Ein Fokus liegt dabei auf der Stabilität: Während sich Skyrmionen durch eine extrem hohe Stabilität auszeichnen, zerfallen die kleinsten Skyrmionen, die für hohe Speicherdichten benötigt werden, bei Raumtemperatur noch viel zu schnell. Mit einem detaillierten Verständnis der möglichen Zerfallsmechanismen ließe sich ihre Stabilität erheblich verbessern.

Die außergewöhnliche Stabilität von Skyrmionen entsteht durch die knotenartige Anordnung der atomaren Magnete. Wie bei einem Seil, bei dem das Ende durch das Knotenloch gezogen werden muss, lässt sich auch die atomare Knotenstruktur nur mit Aufwand lösen. Beim magnetischen Nanoknoten gibt es allerdings einen etwas einfacheren Weg: Nachdem ein einzelner atomarer Magnet gegen die rücktreibenden Kräfte der Nachbaratome umgedreht wurde, löst sich der Knoten von selbst. Welcher von den etwa 100 atomaren Magneten des Skyrmions am einfachsten umzudrehen ist und wie dies im Detail geschieht, war jedoch bisher nicht bekannt.

Das internationale Team bündelte seine Expertisen aus Theorie und Experiment, um diese Frage zu beantworten. „Welcher atomare Magnet sich am leichtesten umdreht, hängt von den Rahmenbedingungen ab“, erklärt Florian Muckel vom RWTH-Lehrstuhl für Experimentalphysik (Festkörperphysik). „Durch Verändern eines auf die Skyrmionen wirkenden Magnetfeldes können wir zwischen zwei Mechanismen wählen.“ Beim ersten Mechanismus wird das Skyrmion zunächst auf einen Nanometer zusammengepresst, um das Umklappen im Zentrum zu vereinfachen. Beim zweiten Mechanismus schiebt das Knotenzentrum einen Nanometer nach außen, bevor dort einer der atomaren Magnete relativ leicht umkippen kann. Professor Markus Morgenstern, Inhaber des RWTH-Lehrstuhls für Experimentalphysik (Festkörperphysik): „Mit Hilfe der zwei Mechanismen können wir außerdem die Effizienz der Knotenauflösung kontrollieren. Die Stabilität der Skyrmionen ändert sich dabei um bis zu einem Faktor 10.000, wobei die stabilste Konfiguration einer Billiarde Entknotungs-Versuchen standhält, bevor der Knoten platzt.“

Das neuartige Verständnis der magnetischen Entknotung entstand durch den präzisen Vergleich von Experimenten aus Aachen mit theoretischen Arbeiten aus Kiel und Reykjavik. Mit atomistischen Computersimulationen, basierend auf langjähriger Entwicklung neuartiger theoretischer Methoden, kann die Bewegung jedes einzelnen atomaren Magneten während des Vorgangs verfolgt werden. „Die Ergebnisse stimmen auch dank der Verwendung von materialspezifischen Parametern aus quantenmechanischen Rechnungen im Detail mit den innovativen Experimenten überein“, erläutert Stefan Heinze, Professor für theoretische Physik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Im Experiment wurden einzelne Elektronen an verschiedenen Stellen des Skyrmions eingebracht. Für jede Stelle wurde bestimmt, ob der Nanoknoten bestehen bleibt oder ob er sich aufgrund der vom Elektron mitgebrachten Energie entknotet. Daraus konnten Karten der Wahrscheinlichkeit für die Entknotung des Skyrmions erstellt werden. „Die Übereinstimmung von Experiment und Simulation ist beeindruckend. Es ist schon phantastisch, wenn eigene Berechnungen so präzise von der Natur ‚befolgt‘ werden“, stellt Stephan von Malottki fest, der die Simulationen an der Uni Kiel durchgeführt hat. „Dies ist ein großer Erfolg unserer theoretischen Methodenentwicklung“, ergänzt Dr. Pavel Bessarab aus Reykjavik, der 2019 für zwölf Monate als Alexander von Humboldt-Stipendiat in der Kieler Arbeitsgruppe forschte.

Die neuen Erkenntnisse zu den Grenzen der Stabilität sollen magnetische Nanoknoten noch stabiler machen. Dadurch wird die Anwendung magnetischer Nanoknoten in der Informationsverarbeitung effizienter und Nanoknoten könnten sich in der kommerziellen Datenspeicherung durchsetzen.

Originalarbeit:

F. Muckel, S. von Malottki, C. Holl, B. Pestka, M. Pratzer, P. F. Bessarab, S. Heinze and M. Morgenstern, Experimental identification of two distinct skyrmion collapse mechanisms, Nature Physics (2021).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-020-01101-2

Über den CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Auf der Nanoebene herrschen andere, quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Strukturen und Prozesse in diesen Dimensionen zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsnah umzusetzen, ist das Ziel des Forschungsschwerpunkts »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). In einer intensiven interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences könnten daraus neuartige Sensoren und Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche medizinische Therapien und vieles mehr entstehen. www.kinsis.uni-kiel.de

Wissenschaftliche Grafik
© II. Institute of Physics B, RWTH Aachen University

Die Gleichgewichtsstruktur eines Skyrmions (die farbigen Kegel symbolisie-ren die Ausrichtung der atomaren Magnete) kann über zwei Pfade zerfallen. Die Pfade wurden zunächst in Computersimulationen gefunden. Die dritte Zeile zeigt die dazugehörige Energieverteilung während des Übergangs mit einem Energie-berg, der dem entscheidenden Umklappen eines einzelnen atomaren Magneten entspricht. Die unterste Zeile zeigt die Übergangsraten für die zwei Prozesse. Für die experimentelle Bestimmung wurden an 200 Stellen innerhalb des Skyrmions zusätzliche Elektronen eingebracht und ermittelt, ob das Skyrmion dadurch entknotet wurde oder nicht.

Wissenschaftler
© Simon Wegener

RWTH-Wissenschaftler Florian Muckel während der Experimentvorbereitung.

 

Wissenschaftlicher Kontakt:

Professor Markus Morgenstern
Lehrstuhl für Experimentalphysik (Festkörperphysik) der RWTH Aachen
mmorgens@physik.rwth-aachen.de


Professor Stefan Heinze
Arbeitsgruppe "Spintronics Theory" der CAU
heinze@theo-physik.uni-kiel.de

Pressekontakt:

Julia Siekmann
Referentin für Wissenschaftskommunikation, Forschungsschwerpunkt Kiel Nano Surface and Interface Sciences (KiNSIS)