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Mehr Stabilität für magnetische Knoten

Kieler Physikteam findet neuen Mechanismus zur Stabilisierung von Skyrmionen

Skyrmionen, winzige magnetische Wirbel, die in Materialien entstehen können, sind vielversprechend für neuartige elektronische Bauelemente oder magnetische Datenspeicher. Hier könnten sie als Bits zur Speicherung von Informationen genutzt werden. Grundlegende Voraussetzung für jede Anwendung ist die Stabilität dieser magnetischen Wirbel. Ein Forschungsteam des Instituts für Theoretische Physik und Astrophysik der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat nun gezeigt, dass bislang vernachlässigte magnetische Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle dabei spielen und Skyrmionen wesentlich langlebiger machen können. Ihre Arbeit, die heute (21. September 2020) in Nature Communications erschienen ist, eröffnet auch die Perspektive, Skyrmionen in neuen Materialsystemen zu stabilisieren, in denen die herkömmlichen Mechanismen dafür nicht ausreichen.


Intensive Forschung zur Stabilität bei Raumtemperatur

Ihre spezielle magnetische Struktur – genauer gesagt ihre Topologie – verleiht Skyrmionen ihre Stabilität und schützt sie vor dem Zerfall, sie werden auch als „Knoten“ in der Magnetisierung bezeichnet. Auf dem atomaren Gitter eines Festkörpers ist dieser topologische Schutz jedoch begrenzt, es existiert lediglich eine gewisse Energiebarriere (Abb. 1). „Die Situation ist vergleichbar mit einer Murmel, die in einer Mulde liegt und einen gewissen Anstoß, also Energie, benötigt, um dort herauszukommen. Je größer die Energiebarriere ist, desto höher ist die Temperatur, bei der Skyrmionen noch stabil sind“, erklärt Professor Stefan Heinze von der CAU. Insbesondere Skyrmionen mit Durchmessern von kleiner als 10 Nanometern, die für zukünftige spinelektronische Bauelemente benötigt werden, wurden bislang allerdings nur bei sehr tiefen Temperaturen nachgewiesen. Da Anwendungen typischerweise bei Raumtemperatur funktionieren sollen, wird aktuell intensiv an der Erhöhung der Energiebarriere geforscht.

Bislang gab es ein Standardmodell für die dafür relevanten magnetischen Wechselwirkungen in Materialien. Ein Team der Arbeitsgruppe von Heinze hat nun demonstriert, dass dabei eine Art von Wechselwirkungen bislang übersehen worden ist. In den 1920er Jahren konnte Werner Heisenberg das Auftreten des Ferromagnetismus über die Austauschwechselwirkung erklären, die durch das spinabhängige „Hüpfen“ der Elektronen zwischen zwei Atomen zustande kommt. „Wenn man berücksichtigt, dass die Elektronen auch über mehr als zwei Atome hüpfen können, kommt es zu Austauschwechselwirkungen höherer Ordnung“, so Dr. Souvik Paul, Erstautor der Studie (Abb. 2). Diese sind jedoch viel schwächer als der von Heisenberg gefundene paarweise Austausch und wurden daher im Hinblick auf Skyrmionen bisher vernachlässigt.


Schwache höhere Austauschwechselwirkungen stabilisieren Skyrmionen

Mit atomistischen Simulationen und quantenmechanischen Rechnungen, die auf den Supercomputern des Norddeutschen Verbundes für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN) durchgeführt worden sind, konnten die Kieler Physiker jetzt erklären, warum diese schwachen Austauschwechselwirkungen dennoch einen überraschend großen Beitrag zur Stabilität von Skyrmionen leisten können. Insbesondere das zyklische Hüpfen über vier Atompositionen (s. rote Pfeile in Abb. 2) erhöht die Energie des Übergangszustandes (s. Abb. 1 höchster Punkt rechts oben), bei dem nur noch wenige atomare Stabmagnete gegeneinander verkippt sind, außergewöhnlich stark. In den Simulationen wurden sogar stabile Antiskyrmionen gefunden, die für einige zukünftige Datenspeicherkonzepte vorteilhaft wären, aber normalerweise keine ausreichend langen Lebenszeiten besitzen.

Die untersuchten Austauschwechselwirkungen höherer Ordnung treten in vielen magnetischen Materialien wie Kobalt oder Eisen auf, die für potentielle Anwendungen von Skyrmionen interessant sind. Außerdem können sie Skyrmionen in Materialien stabilisieren, in denen die bislang betrachteten magnetischen Wechselwirkungen nicht auftreten oder zu schwach sind. Dadurch eröffnen sich neue vielversprechende Wege für die Forschung an diesen magnetischen Knoten.

Originalpublikation:

S. Paul, S. Haldar, S. von Malottki, and S. Heinze, Role of higher-order exchange interactions for skyrmion stability, Nature Communications, 21.09.2020 (2020).
DOI: 10.1038/s41467-020-18473-x https://www.nature.com/articles/s41467-020-18473-x

Über KiNSIS

Im Nanokosmos 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/de

Wissenschaftliche Grafik
© Soumyajyoti Haldar

Abb. 1: Stabilisierung von Skyrmionen durch Austauschwechselwirkungen höherer Ordnung. Die rote Kurve zeigt die Energiebarriere für den Zerfall eines magnetischen Skyrmions (links oben) in den ferromagnetischen Hintergrund (rechts unten). Am höchsten Punkt der Kurve findet man den Zustand am Sattelpunkt (rechts oben). Die Kegel zeigen die „atomaren Stabmagnete“ der Atome in einem hexagonalen Film. Silberne Kegel zeigen nach oben, rote Kegel nach unten.

Links unten: Schematischer Aufbau von zwei Atomlagen aus Palladium (Pd) und Eisen (Fe), die auf einer Oberfläche eines Rhodiumkristalls mit (111) Orientierung aufgebracht worden ist.

Wissenschaftliche Grafik
© Souvik Paul

Abb. 2: Illustration der Austauschwechselwirkungen höherer Ordnung auf einem hexagonalen atomaren Gitter. Die farbigen Pfeile zeigen das „Hüpfen“ der Elektronen zwischen zwei (grün), drei (blau) und vier (rot) Atomen. Die Kugeln zeigen die Atompositionen und die Pfeile die „atomaren Stabmagnete“ der Atome.

Hintergrundinformationen:

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

Kontakt:

Prof. Dr. Stefan Heinze
Institut für Theoretische Physik und Astrophysik
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
+49 431 / 880-4127
heinze@theo-physik.uni-kiel.de 
www.itap.uni-kiel.de/theo-physik/heinze

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