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Neue Licht-Materie-Wechselwirkung Magnetische Nachrichten mit Licht schreiben

| Autor / Redakteur: Linda Behringer* / Christian Lüttmann

Winzige magnetische Wirbel, so genannte Skyrmione, sind seit einigen Jahren ins Interesse der Wissenschaft gerückt. Sie könnten die Basis für störungsarme, energiesparende Datenspeicher bilden. Nun ist es Forschern erstmals gelungen, diese magnetischen Strukturen mit hoher Präzision per Lichtstrahl auf eine Oberfläche zu schreiben. Dabei spielt eine bisher unbekannte Wechselwirkung eine Rolle.

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Ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern schreibt zahlreiche Magnetwirbel, die zusammen den Begriff „MPI-IS“ ergeben.
Ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern schreibt zahlreiche Magnetwirbel, die zusammen den Begriff „MPI-IS“ ergeben.
(Bild: Alejandro Posada und Felix Groß )

Stuttgart – Lichtstrahlen können mit Materie wechselwirken, indem sie zum Beispiel die Elektronen energetisch anregen oder Molekülbindungen zum Schwingen bringen. Nun haben Forscher aber eine völlig neue Art der Licht-Materie-Wechselwirkung entdeckt, die magnetische Spuren hinterlässt.

Mithilfe weicher Röntgenstrahlen haben Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) zusammen mit Wissenschaftlern aus China erstmals einzelne Nano-Magnetwirbel, so genannte Skyrmione, in einer magnetischen Schicht kreiert. In zahlreichen Experimenten zeigten sie, dass ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern einen Magnetwirbel von 100 Nanometern hervorbringen kann – der kleinsten möglichen Größe.

Wechselwirkung ist nicht nur ein Energieeintrag

Diese Entdeckung war ein glücklicher Zufall, denn bisher war gar nicht bekannt, dass überhaupt eine derartige Interaktion zwischen Licht und Materie existiert. „Wir wissen nicht, wie Licht Materie schreibt“, sagt Dr. Joachim Gräfe, Leiter der Forschungsgruppe Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik am MPI-IS. Die Wissenschaftler können aber bestimmte Eigenschaften phänomenologisch beschreiben. „Wir wissen, dass es mit dem Röntgenstrahl zu tun hat. Es ist nicht nur ein Energieeintrag wie Wärme, der das Skyrmion schreibt. Es ist wirklich ein resonanter Effekt: wir können die Atome, die für den Magnetismus verantwortlich sind, direkt anregen“, erklärt Gräfe. Mithilfe dieser direkten Anregung haben er und sein Team beispielsweise mikroskopisch klein den Schriftzug „MPI-IS“ in Form von Skyrmionen auf eine speziell präparierte Oberfläche geschrieben.

Dank der Forschungsarbeit könne nun praktisch jedermann mit einem Röntgenstrahl verschiedenste Skyrmionen-Anordnungen in magnetischen Schichten schreiben, meint Gräfe. Das werde mehrere völlig neue Forschungsfelder erschließen. Zielgenau magnetische Strukturen schreiben zu können, eröffne völlig neue Möglichkeiten.

Skyrmionen für zukünftige Datenspeicher

Skyrmionen sind 100 Nanometer kleine dreidimensionale Strukturen, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie ähneln kleinen Spulen: atomare Elementarmagnete – so genannte Spins –, die sich in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Skyrmionen sind topologisch geschützt, d.h. in ihrer Form unveränderbar und gelten daher als energieeffiziente Datenspeicher.

Die Studienergebnisse sind daher insbesondere für die Entwicklung und Herstellung so genannter spintronischer Datenträger relevant, die Informationen in Skyrmionen speichern. Doch nur, wenn Skyrmione präzise und passgenau kreiert werden können, kann diese Entwicklung ihren Lauf nehmen. „Unser Ziel ist es, dass Röntgenstrahlen in Zukunft als Werkzeug dienen, um die Anordnung magnetischer Strukturen zu bestimmen bzw. zu schreiben“, sagt Gräfe.

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Detektion von Skyrmionen

Um Skyrmionen sichtbar zu machen, nutzten die Forscher das Rastertransmissions-Röntgenmikroskop Maxymus, das an der Synchrotronstrahlungsquelle Bessy II des Helmholtz-Zentrums Berlin angesiedelt ist. Das Mikroskop ist wie eine Kamera: Es verfolgt in Zeitlupenfilmen, wie sich die Struktur in Materialien auf der Größe nur weniger Nanometer ändert. Maxymus steht für „Magnetic X-ray Micro- and UHV Spectroscope“.

Originalpublikation: Yao Guang, Iuliia Bykova, Yizhou Liu, Guoqiang Yu, Eberhard Goering, Markus Weigand, Joachim Gräfe, Se Kwon Kim, Junwei Zhang, Hong Zhang, Zhengren Yan, Caihua Wan, Jiafeng Feng, Xiao Wang, Chenyang Guo, Hongxiang Wei, Yong Peng, Yaroslav Tserkovnyak, Xiufeng Han & Gisela Schütz: Creating zero-field skyrmions in exchange-biased multilayers through X-ray illumination, Nature Communications volume 11, Article number: 949 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-14769-0

* L. Behringer, Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, 70569 Stuttgart

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