Forschung | Nanowissenschaft

Spontanes Auftreten magnetischer Wirbel entdeckt

Kieler und Hamburger Forschende beobachten Skyrmionen in atomar dünnen Kobaltfilmen

Seit ihrer experimentellen Entdeckung vor zehn Jahren sind magnetische Skyrmionen – stabile Wirbel in magnetischen Materialien – in den Fokus der Forschung geraten. Aufgrund ihrer hohen Stabilität, der Möglichkeit sie wenige Dutzend Atome klein zu machen und ihrer Manipulierbarkeit mit elektrischen Strömen sind diese magnetischen Wirbel sehr vielversprechend für zukünftige Datenspeicher oder Logik-Bauelemente. Allerdings konnten einzelne Skyrmionen, wie sie für Anwendungen benötigt werden, bisher nur mit Hilfe magnetischer Felder erzeugt werden, was für eine mögliche Nutzung ein Hindernis darstellt. Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Universität Hamburg zeigen nun, dass sich einzelne magnetische Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern (millionenstel Millimeter) in ferromagnetischen Metallfilmen auch ohne ein Magnetfeld stabilisieren lassen. Ihre Arbeit erschien heute (23. August) im renommierten Journal Nature Communications.

Magnetische Skyrmionen sind bereits vor 30 Jahren von theoretischen Physikern vorhergesagt worden, konnten aber erst 2009 experimentell nachgewiesen werden. Da es viele potentielle Anwendungen für solche magnetischen Wirbel gibt, hat sich die Forschung auf diesem Gebiet seitdem rasant entwickelt. Skyrmionen mit einem Durchmesser von Mikrometern (10-6 m) bis zu wenigen Nanometern (10-9 m) wurden in unterschiedlichen magnetischen Materialsystemen entdeckt. 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 Kieler und Hamburger Forschende 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 um Professor Stefan Heinze vom Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der CAU vorhersagen, dass in einem atomar dünnen, ferromagnetischen Kobaltfilm einzelne Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern auftauchen sollten (s. Abb. 1). „Die Stabilität der magnetischen Wirbel in diesen Filmen beruht auf einer ungewöhnlichen Konkurrenz magnetischer Wechselwirkungen“, so Sebastian Meyer, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Professor Stefan Heinze.

Diese Vorhersage wurde von Hamburger Forschenden um Dr. Kirsten von Bergmann mittels hochauflösender Rastertunnelmikroskopie eindrucksvoll bestätigt. Die Tieftemperatur-Messungen von Marco Perini, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Professor Roland Wiesendanger, zeigen in den präparierten Kobaltfilmen magnetische Skyrmionen, ohne dass ein externes Magnetfeld angelegt werden musste (s. Abb. 2). „Bislang wurden einzelne Skyrmionen 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.

Hintergrundinformationen:

Der Spin der Elektronen, welcher mit einem magnetischen Moment verknüpft ist und in magnetischen Materialien zur Ausbildung „atomarer Stabmagnete“ führt, eignet sich dazu, Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Durch seine gezielte Manipulation könnte man schnellere, energiesparendere und leistungsfähigere Bauelemente für die Informationstechnologie schaffen.

Über den Forschungsschwerpunkt KiNSIS:

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen. Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de

Originalveröffentlichung: Isolated zero field sub-10 nm skyrmions in ultrathin Co films, Sebastian Meyer, Marco Perini, Stephan von Malottki, André Kubetzka, Roland Wiesendanger, Kirsten von Bergmann und Stefan Heinze, Nature Communications 10, Article number: 3823 (2019), Online-Veröffentlichung vom 23.08.2019, DOI: 10.1038/s41467-019-11831-4,
www.nature.com/articles/s41467-019-11831-4

Illustration magnetisches Skyrmion
© S. Meyer, Kiel University

Abb. 1: Illustration eines magnetischen Skyrmions mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern in einem atomar dünnen Kobaltfilm. Die kleinen farbigen Kegel stehen für die „atomaren Stabmagneten“ eines jeden Kobaltatoms. Der ferromagnetische Hintergrund ist an den parallel nach oben ausgerichteten blauen Kegeln zu erkennen. Innerhalb des Skyrmions drehen sich die „atomaren Stabmagnete“ der Kobaltatome (grüne, gelbe und orangene Kegel) schrittweise bis sie im Zentrum entgegen dem ferromagnetischen Hintergrund ausgerichtet sind (rote Kegel).

Rastertunnelmikroskopie-Messung
© A. Kubetzka, Universität Hamburg

Abb. 2: Rastertunnelmikroskopie-Messung der Probenoberfläche: Ein magnetisches Skyrmion ist hier als goldener Ring zu erkennen. Die ferromagnetische Ausrichtung im Kobaltfilm außerhalb des Skyrmions ist blau eingefärbt, das Zentrum des Skyrmions ist hier ebenfalls blau. Diese dreidimensionale Ansicht zeigt in weiß eine atomare Stufenkante (links unten) und eine atomar hohe Insel (rechts oben). Der Balken unten links im Bild hat eine Länge von 5 Nanometern (nm).

Kontakt:
Professor Dr. Stefan Heinze
Institut für Theoretische Physik und Astrophysik
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
0431/880-4127
heinze@theo-physik.uni-kiel.de 
www.itap.uni-kiel.de/theo-physik/heinze


Dr. Kirsten von Bergmann
Fachbereich Physik
Universität Hamburg
040/42838-6295
kbergman@physnet.uni-hamburg.de
https://hp.physnet.uni-hamburg.de/kbergman

Stabsstelle Presse, Kommunikation und Marketing
Sachgebiet Presse, Digitale und Wissenschaftskommunikation