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IT-Hoffnung Skyrmionen: Wechselwirkungen besser verstanden


22.10.2018

Winzige magnetische Wirbel, so genannte Skyrmionen, besitzen das Potential, die Computertechnologie zu revolutionieren. Daten könnten sich mit ihrer Hilfe vielleicht in 10 oder 20 Jahren nicht nur platzsparender, sondern auch deutlich energieeffizienter speichern und verarbeiten lassen. Doch bevor dies Realität werden kann, gilt es, zahlreiche Hürden zu meistern. Welchen Einfluss haben beispielsweise kleinste, kaum vermeidbare Materialdefekte auf die Wirbel? Und welche Wechselwirkungen entstehen zwischen Skyrmionen (oder anderen chiralen Magnettexturen) und Elektronen? Mit diesen grundlegenden und für die technische Nutzbarmachung von Skyrmionen wichtigen Fragen beschäftigen sich zwei neue Veröffentlichungen aus dem PGI-1/IAS-1:

Nature Communications: Universality of defect-skyrmion interaction profiles,
Autoren: Imara Lima Fernandes, Juba Bouaziz, Stefan Blügel & Samir Lounis,
DOI: 10.1038/s41467-018-06827-5

Skyrmions-1Künstlerische Darstellung eines Skyrmions (rötliche Pfeile) und seines Energieprofils.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Ob sich Skyrmionen eines Tages als Informationsträger nutzen lassen, hängt u.a. davon ab, wie sie mit Defekten wechselwirken, die in Bauteilen allgegenwärtig sind. Defekte sind beispielsweise Verunreinigungen mit Fremdatomen. Sie können zum Beispiel die Beweglichkeit der Magnetwirbel behindern oder ganz unterbinden, ihre Richtung ändern und so weiter. Dr. Imara Lima Fernandes und Kollegen am PGI-1/IAS-1 haben nun in einer äußerst rechenintensiven ab-initio-Studie systematisch das Ausmaß der Interaktion zwischen Defekten und Skyrmionen untersucht.

Dazu entschlüsselten sie durch alleiniges Lösen der relevanten quantenmechanischen Gleichungen, ohne Einbezug experimenteller Daten das Energieprofil eines einzelnen Skyrmions bei der Interaktion mit Verunreinigungen aus wenigen Atomen. Sie fanden heraus, dass das Interaktionsprofil als generische Funktion auf die Zahl der Elektronen der Verunreinigung zurückzuführen ist. Der Verlauf des Profils lässt sich durch einfache Argumente erklären, u.a. Hybridisierungsmechanismen und die Besetzung der Elektronenschalen.

Ähnlichkeiten mit Schlüsselkonzepten der Bindungstheorien in Katalyse und Oberflächenwissenschaften lassen vermuten, dass es sich um ein universell gültiges Prinzip handelt und Vorhersagen erlaubt über die Auswirkungen von Defekten auf Skyrmionen. Die Forscher erwarten, dass ein besseres Verständnis dieser Zusammenhänge es erlauben wird, Bauteile so zu designen, dass sich mit Hilfe von Oberflächendefekten Skyrmionen gezielt erzeugen und kontrollieren lassen.

Communications Physics 1, 60 (2018): Engineering chiral and topological orbital magnetism of domain walls and skyrmions,
Autoren: Fabian R. Lux, Frank Freimuth, Stefan Blügel & Yuriy Mokrousov,
DOI: 10.1038/s42005-018-0055-y

PGI-1Bewegt sich ein Elektron adiabatisch langsam durch eine nicht-kollineare magnetische Struktur, so kann diese im Bezugssystem des Elektrons als effektives Magnetfeld aufgefasst werde. Da es sich beim Elektron um ein geladenes Teilchen handelt, hat dieses Magnetfeld einen Einfluss auf den orbitalen Freiheitsgrad, d.h. seine Bahnbewegung: Die Orbitalmagnetisierung entsteht.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

Der Physiker Fabian Lux und Kollegen am PGI-1/IAS-1 zeigen in einer aktuellen Veröffentlichung eine Perspektive, wie sich die orbitalen Eigenschaften chiraler Spinsysteme einmal gezielt manipulieren lassen könnten. Mittels Computersimulationen fanden sie heraus, dass sich die orbitalen magnetischen Eigenschaften von Skyrmionen um Größenordnungen verändern, wenn man die Stärke der Spin-Bahn-Kopplung modifiziert.

Orbitale magnetische Eigenschaften stellen, neben der elektrischen Ladung und dem Spin, einen weiteren Freiheitsgrad dar, der sich technisch einmal zur Informationsverarbeitung nutzen lassen soll. Das entsprechende Konzept nennt sich, in Anlehnung an Elektronik und Spintronik „Orbitronik“. Neben Skyrmionen könnten danach auch Domänenwände – das sind die Grenzen zwischen Bereichen unterschiedlicher Magnetisierungen – als Informationsträger dienen.

Als Methode nutzten die Forscher eine Variante der Störungstheorie, die Quantenmechanik auf den Phasenraum anwendet. Dies erscheint manchem Physiker intuitiv als unmöglich, weil sich gemäß der Heisenberg‘schen Unschärferelation einem Quantenzustand nicht gleichzeitig ein definierter Impuls und eine definierte Position zuweisen lassen.

Weitere Informationen:

Website der Nachwuchsgruppe von Prof. Dr. Samir Lounis Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory (Funsilab)

Website der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Yuriy Mokrousov Topological Nanoelectronics Group am Forschungszentrum Jülich und an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz


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