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Magnetische Skyrmionen - nicht die einzigen ihrer Art

Jülicher Forscher entdecken neuartige partikelähnliche Magnetstrukturen für das Speichern von Daten. Wenn Skyrmionen die „1“ codieren, könnten sie die bislang fehlende „0“ sein.

Jülich, 28. Juni 2018 - Winzig kleine magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, werden seit einiger Zeit intensiv erforscht. Sie gelten als vielversprechende Kandidaten für besonders platz- und energiesparende Datenspeicher. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben nun eine weitere Klasse von magnetischen Objekten experimentell nachgewiesen, die sich ebenfalls wie Partikel verhalten. Sie könnten die Entwicklung der Datenspeicher einen großen Schritt voranbringen. Wenn Skyrmionen die „1“ codieren, dann könnten sie die bislang fehlende „0“ sein. Die flachen dreidimensionalen Strukturen treten an der Oberfläche spezieller Legierungen auf und werden von den Forschern auch als „chiral magnetic bobbers“, auf Deutsch „chirale magnetische Schwimmer“, bezeichnet.

„Für eine lange Zeit waren Skyrmionen die einzigen bekannten Forschungsobjekte im Bereich der sogenannten chiralen Magnete. Mit den „magnetischen Schwimmern“ kommt jetzt eine weitere Klasse hinzu, die über eine Reihe einzigartiger Eigenschaften verfügt“, freut sich Dr. Nikolai Kiselev vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-1). Vor drei Jahren hatte er gemeinsam mit Institutsdirektor Professor Stefan Blügel und weiteren Forschern die Existenz dieser neuen Klasse von magnetischen Objekten theoretisch vorhergesagt. Nun wiesen Jülicher Spezialisten auf dem Gebiet der Elektronenmikroskopie ihre Existenz erstmals experimentell nach.

Der wissenschaftliche Durchbruch ging aus der Zusammenarbeit mehrerer internationaler Forscherteams hervor. Insbesondere die Gruppe um Dr. Haifeng Du und Prof. Mingliang Tian vom Anhui Key Laboratory of Condensed Matter Physics at Extreme Conditions in China leistete einen entscheidenden Beitrag zu dieser Arbeit.

Die Stabilität von Skyrmionen und diesen neuartigen magnetischen Strukturen hängt zusammen mit einer Eigenschaft, die auch als Chiralität bezeichnet wird. So, wie sich die rechte Hand aus Gründen der Symmetrie nicht in die linke umwandeln lässt, lassen sich auch rechtshändige und linkshändige Magnetwirbel nicht ineinander überführen. Die Strukturen sind zudem sehr klein. Ihr Durchmesser beträgt typischerweise nur einige zehn Nanometer. Daten lassen sich mit ihnen daher sehr dicht auf einem Speicherchip zusammenpacken.

„Die Beobachtung von derart winzigen magnetischen Texturen ist nur mit speziellen Techniken möglich, die nur in wenigen Labors weltweit verfügbar sind", erklärt Professor Rafal Dunin-Borkowski, Direktor am Ernst-Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C).

Magnetische Schwimmer und SkyrmionenAbfolge von „magnetischen Schwimmern“ (vorne) und Skyrmionen (weiter hinten) für die Informationsspeicherung
Copyright: Forschungszentrum Jülich / N. Kiselev

„Magnetische Schwimmer“ und Skyrmionen sind, abgesehen von ihrer Größe, noch aus einem anderen Grund für Anwendungen interessant. Sie sind beweglich. Das unterscheidet sie von Daten-Bits auf einer Festplatte. Skyrmionen und andere sogenannte magnetische Solitonen lassen sich durch schwache elektrische Stromstöße entlang einer vorgegebenen Strecke auf einem Chip verschieben. Damit ergeben sich völlig andere Möglichkeiten für die Realisierung magnetischer Solid-State-Speicher, etwa nach dem Konzept des sogenannten Skyrmionen-Racetrack-Memory.

„Mit beweglichen Skyrmionen können Daten von Schreib- zu Leseelementen wandern, ohne dass dafür bewegliche Teile wie Lese- und Schreibköpfe oder eine rotierende Hard Disk nötig wären“, erklärt Nikolai Kiselev. Das spart Energie. Denn bewegliche Komponenten benötigen in der Regel mehr Strom und Platz und sind auch anfälliger gegenüber mechanischen Stößen und Vibrationen.

Racetrack-MemoryPrinzip des Racetrack-Memory: magnetische Objekte bewegen sich von Schreib- zu Leseelementen
Copyright: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer

Die neu entdeckten magnetischen Strukturen ermöglichen es nun, digitale Daten direkt mit zwei verschiedenen Arten von magnetischen Objekten, nämlich mit Skyrmionen und „magnetischen Schwimmern“, zu codieren. „Bisher ging man davon aus, dass die Daten irgendwie als Folge von Skyrmionen und Leerstellen dargestellt werden“, erläutert Professor Stefan Blügel. Um neben der „1“ auch die „0“ repräsentieren zu können, wird neben den schon länger bekannten Skyrmionen ein weiterer Informationsträger benötigt. Das kann etwa der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Skyrmionen sein. Damit durch spontane Driftbewegungen der Skyrmionen keine Information verloren geht, müsste deren Position auf irgendeine Art eingegrenzt oder quantisiert werden.

Bei der direkten Codierung mit zwei verschiedenen Objekten können sich diese dagegen relativ frei bewegen, ohne präzise Abstände einzuhalten zu müssen.

Für den Weg in die Praxis ist noch weitere Forschung nötig. Nikolai Kiselev und seine Kollegen haben die neuartigen Strukturen in einer Eisen-Germanium-Legierung nachgewiesen. Darin sind sie nur bis 200 Kelvin, das entspricht minus 73,5 Grad Celsius, stabil. Aus theoretischen Überlegungen lässt sich jedoch vorhersagen, dass die neuartigen Wirbel auch in in anderen Materialkombinationen vorkommen; möglicherweise auch bei Raumtemperatur, wie einige Arten von Skyrmionen, die erst kürzlich entdeckt wurden.

Originalveröffentlichung:

Experimental observation of chiral magnetic bobbers in B20-type FeGe
Fengshan Zheng, Filipp N. Rybakov, Aleksandr B. Borisov, Dongsheng Song, Shasha Wang, Zi-An Li, Haifeng Du, Nikolai S. Kiselev, Jan Caron, András Kovács, Mingliang Tian, Yuheng Zhang, Stefan Blügel, Rafal E. Dunin-Borkowski
Nature Nanotechnology (published online 9 April 2018) DOI: 10.1038/s41565-018-0093-3

Weitere Informationen:

Ernst Ruska-Centrum (ER-C) für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen
Peter Grünberg Institut (PGI), Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)

Ansprechpartner:

Prof. Rafal Dunin-Borkowski
Direktor am Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C-1)
Tel.: +49 2461 61-9297
E-Mail: r.dunin-borkowski@fz-juelich.dee

Prof. Dr. Stefan Blügel
Direktor am Peter Grünberg Institut, Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Tel.: +49 2461 61-4249
E-Mail: s.bluegel@fz-juelich.de

Dr. Nikolai Kiselev
Peter Grünberg Institut, Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Tel.: +49 2461 61-3328
E-Mail: n.kiselev@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer, Pressereferent
Forschungszentrum Jülich
Tel.: +49 2461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de