Magnetische Nanowirbel – erstmals stabil ohne Hilfe

Speichertechnologie der Zukunft Magnetische Nanowirbel – erstmals stabil ohne Hilfe

28.08.2019Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Winzige magnetische Wirbel könnten in Zukunft als alternative Speichertechnologie dienen. Doch noch müssen diese so genannten Skyrmionen durch externe Magnetfelder stabilisiert werden. Forschern der Universitäten Kiel und Hamburg ist es nun erstmals gelungen, Skyrmionen ohne magnetische Stabilisatoren nachzuweisen.

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Christian-Albrechts- Universität zu Kiel

Illustration eines magnetischen Skyrmions mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern in einem atomar dünnen Kobaltfilm.
(Bild: S. Meyer, Kiel University)

Kiel – Seit ihrer experimentellen Entdeckung vor zehn Jahren sind magnetische Skyrmionen – stabile Wirbel in magnetischen Materialien – in den Fokus der Forschung geraten. Sie sind langlebig, können nur wenige Dutzend Atome klein sein und lassen sich mit elektrischem Strom manipulieren. Diese Eigenschaften machen die magnetischen Wirbel vielversprechend für zukünftige Datenspeicher oder Logik-Bauelemente. Einzelne Skyrmionen, wie sie für praktische technische Anwendungen nötigt sind, ließen sich bisher allerdings nur mithilfe magnetischer Felder erzeugen – ein Hindernis für eine mögliche Nutzung.

Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) und der Universität Hamburg haben nun gezeigt, dass sich einzelne magnetische Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern in ferromagnetischen Metallfilmen auch ohne ein Magnetfeld stabilisieren lassen.

Skyrmionen – Wirbel mit Speicherpotenzial

Magnetische Skyrmionen sind bereits vor 30 Jahren von theoretischen Physikern vorhergesagt worden, ihr experimenteller Nachweis erfolgte aber erst 2009. Da es viele potenzielle Anwendungen für solche magnetischen Wirbel gibt, hat sich die Forschung auf diesem Gebiet seitdem rasant entwickelt. Skyrmionen mit einem Durchmesser von Mikrometern bis zu wenigen Nanometern 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.

Spontanes Auftreten magnetischer Wirbel

Einen wichtigen Schritt in diese Richtung haben nun die Kieler und Hamburger Forscher gemacht: Ihnen gelang die Vorhersage, dass in einem atomar dünnen, ferromagnetischen Kobaltfilm einzelne Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern auftauchen sollten. Ihre Theorie beruhte auf quantenmechanischen numerischen Rechnungen, die auf den Supercomputern des Norddeutschen Verbundes für Hoch- und Höchstleistungsrechnen (HLRN) durchgeführt worden sind. „Die Stabilität der magnetischen Wirbel in diesen Filmen beruht auf einer ungewöhnlichen Konkurrenz magnetischer Wechselwirkungen“, sagt Sebastian Meyer, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Professor Stefan Heinze am Institut für Theoretische Physik und Astrophysik der CAU.

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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 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 nm.

Diese Vorhersage wurde von Hamburger Forschern um Dr. Kirsten von Bergmann mittels hochauflösender Rastertunnelmikroskopie bestätigt. Mit Tieftemperatur-Messungen der Arbeitsgruppe von Professor Roland Wiesendanger wiesen die Forscher in den präparierten Kobaltfilmen magnetische Skyrmionen nach, ohne dass ein externes Magnetfeld angelegt war. „Bislang wurden einzelne Skyrmionen immer durch Magnetfelder erzeugt. In unseren Metallfilmen treten die Skyrmionen dagegen spontan auf“, sagt von Bergmann.

Derzeit nur bei Tieftemperaturen stabil

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, müssen die Forscher die beobachteten Eigenschaften der Skyrmionen noch besser verstehen lernen, heißt es in einer Pressemitteilung.

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

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