Nanowirbel mit besonderer Eigenschaft

In manchen magnetischen Materialien lassen sich wirbelförmige Nano-Strukturen erzeugen: sogenannte Skyrmionen. Forschende am PSI haben nun erstmals antiferromagnetische Skyrmionen erschaffen und nachgewiesen. Ihre Besonderheit: In ihnen sind entscheidende Bausteine gegenläufig zueinander ausgerichtet. Der Nachweis gelang den Forschenden mittels Neutronenstreuung. Diese Entdeckung ist ein wichtiger Schritt in Richtung potenzieller Anwendungen, zum Beispiel für effizientere Computer. Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichen die Forschenden heute im Fachblatt Nature.

Ob ein Material magnetisch ist, liegt an den sogenannten Spins der Atome. Die Spins kann man sich wie winzige Stabmagnete vorstellen. In einem Kristall, in dem die Atome feste Plätze in einem Gitter einnehmen, sind diese Spins je nach Material und Zustand entweder kreuz und quer verteilt oder stehen parallel geordnet wie die Speere einer römischen Legion.

Unter gewissen Umständen ist es möglich, in dem Heer der Spins winzige Wirbel zu erzeugen: sogenannte Skyrmionen. Forschende interessieren sich für Skyrmionen, da diese für zukünftige Technologien, beispielsweise effizientere Computer, eine Rolle spielen könnten. So könnten Skyrmionen als Speicher-Bits genutzt werden: Ein Skyrmion könnte eine digitale 1 darstellen, sein Fehlen eine 0. Da Skyrmionen deutlich kleiner sind als die Bits bisheriger Speichermedien, liessen sich Daten enger packen als bisher – und womöglich auch energieeffizienter sowie schneller schreiben und lesen. Sowohl für die klassische Datenverarbeitung als auch für Quantencomputer könnten Skyrmionen deshalb von Nutzen sein.

Für die Anwendung ebenfalls interessant ist, dass sich in manchen Materialien Skyrmionen erzeugen und steuern lassen, indem man Strom anlegt. «Allerdings ist es bei bisherigen Skyrmionen schwierig, sie gezielt von A nach B zu bewegen. Denn ihre eigenen Eigenschaften sorgen dafür, dass sie vom geraden Weg abgelenkt werden», erklärt Oksana Zaharko, Forschungsgruppenleiterin am PSI.

Zaharko und ihr Team haben nun gemeinsam mit Forschenden anderer Institutionen eine neue Art Skyrmionen erschaffen und nachgewiesen, die eine Besonderheit haben: In ihrem Inneren sind entscheidende Spins gegenläufig zueinander ausgerichtet. Die Forschenden nennen ihre Skyrmionen daher antiferromagnetisch.

Zielgerade von A nach B

«Ein grosser Vorteil von antiferromagnetischen Skyrmionen ist, dass sie sich viel simpler steuern lassen: Legt man einen Strom an, bewegen sie sich einfach geradlinig», so Zaharko. Dies ist ein grosser Vorteil, denn wenn Skyrmionen genutzt werden sollen, wäre es wichtig, sie auch gezielt manipulieren und platzieren zu können.

Ihre neuartigen Skyrmionen gelangen den Forschenden, indem sie sie in einem massgeschneiderten antiferromagnetischen Kristall erzeugten. Zaharko erklärt: «Antiferromagnetisch bedeutet, dass benachbarte Spins antiparallel ausgerichtet sind, also einer nach oben und der nächste nach unten zeigt. Was also zunächst eine Eigenschaft des Materials war, sahen wir dann auch innerhalb der einzelnen Skyrmionen.»

Noch fehlen einige Schritte, bis antiferromagnetische Skyrmionen reif sind für eine technologische Anwendung: Die PSI-Forschenden mussten ihren Kristall auf rund minus 272 Grad Celsius kühlen sowie ein sehr starkes Magnetfeld von drei Tesla anlegen; dies entspricht ungefähr dem Hunderttausendfachen des Erdmagnetfelds.

Neutronen machen die Skyrmionen sichtbar

Und noch haben die Forschenden nicht einzelne antiferromagnetische Skyrmionen erzeugt. Denn um die winzigen Wirbel nachzuweisen, nutzten die Forschenden die Neutronenquelle SINQ am PSI. «Hier können wir mittels Neutronenstreuung Skyrmionen sichtbar machen, wenn wir in einem Material sehr viele davon in einer regelmässigen Anordnung haben», erklärt Zaharko.

Doch die Chemikerin ist optimistisch: «Ich habe die Erfahrung gemacht: Wenn wir es schaffen, Skyrmionen in regelmässiger Anordnung zu erzeugen, kommt bald darauf jemand, dem es gelingt, das Gleiche mit einzelnen Skyrmionen zu machen.»

In der Foschungsgemeinde wird angenommen: Sobald sich einzelne antiferromagnetische Skyrmionen bei Raumtemperatur erzeugen liessen, wäre eine Anwendung in greifbarer Nähe.

Text: Paul Scherrer Institut/Laura Hennemann

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Oksana Zaharko
Gruppenleiterin Festkörperstrukturen, Forschungsbereich Forschung mit Neutronen und Myonen,
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
Telefon: +41 56 310 46 33
E-Mail: oksana.zaharko@psi.ch [Deutsch, Englisch]

Originalpublikation:

Fractional antiferromagnetic skyrmion lattice induced by anisotropic couplings
S. Gao, H.D. Rosales, F.A. Gómez Albarracín, V. Tsurkan, G. Kaur, T. Fennell, P. Steffens, M. Boehm, P. Čermák, A. Schneidewind, E. Ressouche, D.C. Cabra, C. Rüegg, O. Zaharko
Nature 23. September 2020 (online)
DOI: https://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-2716-8

Weitere Informationen:

https://www.psi.ch/de/node/39430 – Darstellung der Mitteilung auf der Webseite des PSI und Bildmaterial
https://www.psi.ch/de/media/forschung/elektronen-zuschauen-und-bits-anknipsen – Elektronen zuschauen und Bits anknipsen