Magnetische Antiteilchen eröffnen neue Horizonte für die Informationstechnologie

Skyrmionen sind magnetische Nanopartikel, die als vielversprechende Kandidaten für neue Technologien zur Datenspeicherung und Informationsverarbeitung gelten. Physiker haben nun ein neues Verhalten entdeckt, an dem die Antiteilchen von Skyrmionen in einem ferromagnetischen Material beteiligt sind.

Die Erkenntnisse basieren auf mondernsten Computersimulationen, mit denen sich die magnetischen Eigenschaften von Materialien, die nur wenige Nanometer dick sind, sehr genau nachbilden lassen. An der Forschungsarbeit waren Wissenschaftler der Universität Uppsala, der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der Universität Paris-Saclay beteiligt. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift Nature Electronics veröffentlicht.

Die Bewegung von Elektronen in Schaltkreisen bildet die Grundlage für nützliche Anwendungen in der Elektronik. Aber gelten die Leitsätze auch für Positronen, die Antiteilchen der Elektronen? Abgesehen von dem seltenen natürlichen Vorkommen der Antiteilchen legen die Grundlagen der Elektrodynamik nahe, dass bei positiver Ladung im Prinzip alles genauso verläuft wie bei den negativ geladenen Elektronen, nur mit anderem Vorzeichen. So bewegen sich Elektronen und Positronen in elektromagnetischen Feldern in die entgegengesetzte Richtung.

Ob sich Skyrmionen als magnetische Nanoteilchen ähnlich verhalten, ist bisher nicht geklärt. Skyrmionen sind Wirbel in magnetischen Materialien, die sich über wenige Nanometer ausbreiten und die in extrem dünnen magnetischen Filmen mit der Dicke von nur wenigen Atomen zu finden sind.

So wie Kugeln und Kreisringe verschiedene Topologien aufweisen, besitzen auch Skyrmionen eine bestimmte Eigenschaft, die sogenannte topologische Ladung, die eine ähnliche Rolle spielt wie elektrische Ladungen.

Wenn beispielsweise eine angelegte Kraft die Skyrmionen nach links ablenkt, dann würde dieselbe Kraft Antiskyrmionen, das entsprechende Antiteilchen, nach rechts ablenken. Seit den ersten experimentellen Beobachtungen im Jahr 2009 stehen Skyrmionen im Fokus intensiver Forschungen, weil sie neue Möglichkeiten der Datenspeicherung und Informationsverarbeitung eröffnen.

Simulation zeigt fortlaufende Entstehung von Paaren aus Skyrmionen und Antiskyrmionen

Jetzt haben die Wissenschaftler gezeigt, dass in Ferromagnet-Nanoschichten, in denen sowohl Skyrmionen als auch Antiskyrmionen vorhanden sind, noch weitaus komplexere Phänomene auftreten können. Sie verwendeten modernste Simulationstechniken, um die magnetischen Eigenschaften und die Dynamiken in solchen Filmen zu berechnen, und untersuchten damit, wie Skyrmionen und Antiskyrmionen sich verhalten, wenn elektrische Ströme angelegt werden, die eine Kraft auf die Teilchen ausüben.

Bei niedrigen Strömen zeigt sich das erwartete Verhalten: Entgegengesetzte topologische Ladungen werden durch die gleiche Kraft in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. Wird der Strom allerdings schrittweise erhöht, sind die Bewegungen nicht mehr spiegelverkehrt.

Während sich Skyrmionen weiterhin geradlinig bewegen, nehmen Antiskyrmionen gekrümmte Bewegungsbahnen an, zunächst nur kurzzeitig, dann bei einer weiteren Erhöhung des elektrischen Stroms permanent. Die Bahn ähnelt dann der Bahn von Trochoiden, vergleichbar mit der Kurve des Pedals an einem Fahrrad, das auf einem geraden Weg entlangfährt. Diese auffälligen Ergebnisse zeigen, dass sich entgegengesetzte topologische Ladungen tatsächlich sehr unterschiedlich verhalten können.

Aber es gab noch weitere Überraschungen. Bei einer Erhöhung der Energie, die durch die angelegten Ströme ins System eingebracht wird, kann die trochoidale Bewegung dazu führen, dass sich periodisch Skyrmion-Antiskyrmion-Paare bilden. Wegen ihrer unterschiedlichen Bewegungsart entfernen sich die entstandenen Skyrmionen, während Antiskyrmionen mit ihrer trochoidalen Bewegung eher in dem Bereich verbleiben, in dem sie erzeugt wurden.

Bemerkenswerterweise wird jedes erzeugte Antiskyrmion zu einer neuen Quelle von Skyrmion-Antiskyrmion-Paaren, was zu einer Vermehrung der Partikel führt. „Um das Ganze zu verdeutlichen: Es ist in etwa so, als ob wir ein einziges Positron durch ein starkes Magnetfeld schicken und dadurch ein Gas von Elektronen und Positronen erhalten würden“, erklärt Dr. Bertrand Dupé, Seniorautor der Studie von der Interdisciplinary Spintronics Research Group an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU).

Ergebnisse könnten Hinweis für Materie-Antimaterie-Rätsel liefern

Die Tragweite dieser theoretischen Arbeit ist möglicherweise sehr weitreichend. Im Hinblick auf künftige Technologien legt die Studie nahe, dass Antiskyrmionen als eine stetige Quelle für Skyrmionen dienen könnten. Dies wäre für alle künftigen Anwendungen, die Skyrmionen zur Übertragung und Speicherung von Daten verwenden, von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus bestimmt die trochoidale Bewegung die absolute Geschwindigkeitsbegrenzung solcher topologischen Ladungen – ein wichtiger Parameter, falls in Zukunft Schaltkreise mit Hilfe von Skyrmionen entwickelt werden.

Auf einer noch grundlegenderen Ebene könnte die Arbeit Hinweise geben, um ein großes Rätsel der Kosmologie zu lösen, nämlich die Frage, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt. Wegen der Asymmetrie in der Bewegung von Skyrmionen und Antiskyrmionen zeigen die Simulationen, dass es nach der Erzeugung von Paaren immer einen Überschuss an Skyrmionen gibt. Das Ungleichgewicht zwischen „Materie“ und „Antimaterie“ in diesen ferromagnetischen Filmen ist also eine natürliche Folge ihrer Dynamik bei hohen Energien. „Zumindest im magnetischen Nanokosmos kann Materie auf natürliche Weise aus einem einzigen Antiteilchen entstehen“, merkt Dupé an.

Bildmaterial:
http://www.uni-mainz.de/bilder_presse/08_physik_komet_antiskyrmionen.jpg
Materie und Antimaterie im magnetischen Nanokosmos: Ein Gas aus Skyrmionen (lila) und Antiskyrmionen (grün), das aus den trochoidalen Bewegungen eines einzigen Antiskyrmions entstanden ist.
Abb./©: Joo-Von Kim

Weiterführende Links:
https://www.sinova-group.physik.uni-mainz.de/ – Interdisciplinary Spintronics Research Group (INSPIRE)
https://www.spice.uni-mainz.de/ – Spin Phenomena Interdisciplinary Center (SPICE)

Lesen Sie mehr:
http://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/4857_DEU_HTML.php – Pressemitteilung „Antiferromagnetische Materialien öffnen Tür zum Terahertz-Bereich“ (25.04.2018)
http://www.uni-mainz.de/presse/64789.php – Pressemitteilung „Spin Phenomena Interdisciplinary Center an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz eröffnet“ (22.04.2015)

Dr. Ulrike Ritzmann
Fachbereich Physik und Astronomie
Universität Uppsala, Schweden
E-Mail: ulrike.ritzmann@physics.uu.se
http://katalog.uu.se/profile/?id=N17-1200

Dr. Bertrand Dupé
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. + 49 6131 39-25921
E-Mail: bertdupe@uni-mainz.de
https://www.sinova-group.physik.uni-mainz.de/team/bertrand-dupe/

Ulrike Ritzmann et al.
Trochoidal motion and pair generation in skyrmion and antiskyrmion dynamics under spin-orbit torques
Nature Electronics, 13. August 2018
DOI: 10.1038/s41928-018-0114-0
https://www.nature.com/articles/s41928-018-0114-0