Magnetismus für den Spin nutzen

Erforschung der Geheimnisse von Skyrmionen

28.01.2019 - USA

Wissenschaftler des Ames Laboratory des U.S. Department of Energy haben die Relaxationsdynamik eines Nullfeldzustands in Skyrmionen entdeckt, einem sich drehenden magnetischen Phänomen, das potenzielle Anwendungen in Datenspeichern und Spintronikgeräten bietet.

Skyrmionen sind nanoskalige Wirbel oder Wirbel von Magnetpolen, die Gitter innerhalb eines magnetischen Materials bilden, eine Art von Quasipartikel, die über das Material reißen können, durch elektrischen Strom gedrückt. Diese Eigenschaften haben die Faszination der Wissenschaftler eingefangen, die glauben, dass das Phänomen zu einem weiteren großen Fortschritt in der Datenspeicherung führen könnte, der die digitale Technologie noch schneller und kleiner macht.

Es gibt jedoch einige große Herausforderungen zu bewältigen. Bis vor kurzem waren Skyrmionen ein Phänomen, das nur bei extrem niedrigen Temperaturen beobachtet wurde. Außerdem machen äußere Magnetkräfte sie derzeit für Anwendungen unpraktikabel.

"Um in einem Gerät wirklich nützlich zu sein, müssen diese magnetischen Wirbel ohne die "Hilfe" eines externen Magnetfeldes existieren können", sagt Lin Zhou, Wissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften und Technik des Ames-Labors.

In diesem Sinne untersuchten sie und andere Forscher des Ames Laboratory FeGe, ein Eisen-Germanium-Magnetmaterial, das in Kristallen mit ähnlicher oder B20-Struktur Skyrmionen in den bisher höchsten Temperaturbereichen nachgewiesen hat.

Ames Lab Wissenschaftler mit externen Mitarbeitern konnten durch Magnetfeld-Exposition und Unterkühlung mit flüssigem Stickstoff ein Skyrmiongitter in einer Probe aufbauen. Mit einer hochauflösenden Mikroskopiemethode namens Lorentz Transmissionselektronenmikroskopie (L-TEM) konnte das Team das Skyrmiongitter im Nullmagnetfeld beobachten und dann den Zerfall der Skyrmionen bei Erwärmung der Temperatur beobachten. Diese direkte Beobachtung ergab kritische neue Informationen darüber, wie sich Skyrmionen verhalten und wie sie in einen "normalen" (was Wissenschaftler als metastabil bezeichnen) magnetischen Zustand zurückkehren.

"Wir haben diese Skyrmionen ohne Magnetfeld stabilisiert, und unsere Mikroskopietechniken haben es uns ermöglicht, wirklich zu sehen, wie sich die Wirbel im Laufe der Zeit, der Temperatur und des Magnetfeldes verändern; wir denken, dass es eine sehr solide Grundlage für Theoretiker bietet, dieses Phänomen besser zu verstehen", sagte Zhou.

Originalveröffentlichung

Licong Peng, Ying Zhang, Liqin Ke, Tae-Hoon Kim, Qiang Zheng, Jiaqiang Yan, X.-G. Zhang, Yang Gao, Shouguo Wang, Jianwang Cai, Baogen Shen, Robert J. McQueeney, Adam Kaminski, Matthew J. Kramer, and Lin Zhou; "Relaxation Dynamics of Zero-Field Skyrmions over a Wide Temperature Range"; Nano Letters; 2018

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