Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Lesen von magnetischen Skyrmionen leichtgemacht

06.10.2015

Neuer physikalischer Effekt: Forscher entdecken elektrische Widerstandsänderung durch magnetische Wirbelstrukturen

Derzeit werden kleinste magnetische Wirbel – sogenannte Skyrmionen – als vielversprechende Kandidaten für Bits in zukünftigen robusten und kompakten Datenspeichern diskutiert. Solche exotischen magnetischen Strukturen konnten in den letzten Jahren an der Universität Hamburg in ultradünnen magnetischen Schichten und Multilagensystemen nachgewiesen werden, wie sie bereits heute in Schreib-Lese-Köpfen von Festplatten und in magnetischen Sensoren genutzt werden.


Abbildung: Magnetische Wirbel mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern treten in einem dünnen Film aus Palladium und Eisen auf (unten, die Kegel repräsentieren einzelne Atome der Oberfläche und ihre Spitzen zeigen in die Richtung der atomaren Stabmagnete). Der Widerstand, gemessen mit einer metallischen Sonde direkt oberhalb der Oberfläche, ändert sich im Skyrmion verglichen mit der Umgebung (oben, experimentelle Daten entlang einer Schnittlinie durch ein Skyrmion, siehe Originalveröffentlichung). Die Widerstandsänderung erfolgt kontinuierlich, und hat den größten Wert, wenn die Verkippung zwischen benachbarten atomaren Stabmagneten am stärksten ist, in diesem Fall im Zentrum des Skyrmions.

(Bild: C. Hanneken, Universität Hamburg)

Zum Auslesen von Skyrmionen war allerdings bislang ein weiterer Magnet notwendig. Jetzt haben Forscher der Universität Hamburg und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel gezeigt, dass man Skyrmionen prinzipiell viel einfacher nachweisen kann, da sich in den magnetischen Wirbelstrukturen der elektrische Widerstand drastisch ändert. Für zukünftige Datenspeicherkonzepte verspricht dies eine enorme Vereinfachung in der Herstellung und Anwendung.

Stabile Wirbel in magnetischen Materialien (siehe Abbildung) sind bereits vor über 25 Jahren vorhergesagt worden, konnten aber erst vor wenigen Jahren experimentell nachgewiesen werden. Die Entdeckung solcher Skyrmionen in dünnen magnetischen Schichten und Multilagen, welche heutzutage in vielen technologischen Anwendungen bereits genutzt werden, und die Möglichkeit, diese Skyrmionen bereits mit geringen elektrischen Stromdichten zu bewegen, hat die Perspektive eröffnet, sie als Bits in neuartigen Datenspeichern zu verwenden.

Bislang wurden einzelne magnetische Wirbel entweder durch Elektronen-Mikroskopie oder durch Messung der Widerstandsänderung in einem Tunnelkontakt mit einer magnetischen Sonde nachgewiesen. Wissenschaftler der Universität Hamburg konnten nun mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops demonstrieren, dass sich der Widerstand auch dann ändert, wenn man bei der Messung ein nicht-magnetisches Metall verwendet.

„In unserem Experiment können wir eine metallische Spitze mit atomarer Präzision über eine Oberfläche bewegen, und so den Widerstand eines Skyrmions an unterschiedlichen Positionen vermessen“, so Christian Hanneken, Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Roland Wiesendanger. Dadurch kann die ortsabhängige Widerstandsänderung im magnetischen Wirbel nachgewiesen werden. „Die beobachtete Widerstandsänderung kann bis zu 100 % betragen und erlaubt damit eine einfache Detektion von Skyrmionen“, wie Dr. Kirsten von Bergmann erläutert.

Zusammen mit theoretischen Physikern der Universität Kiel konnten die Forscher erklären, dass die Widerstandsänderung im magnetischen Wirbel aufgrund der Verkippung der atomaren Stabmagnete von einem Atom zum nächsten zustande kommt (siehe Abbildung). Je größer der Winkel zwischen den benachbarten Stabmagneten ist, desto stärker ändert sich der elektrische Widerstand. „Elektronen besitzen einen Spin, wodurch sie mit der magnetischen Struktur wechselwirken“, so Prof. Stefan Heinze von der Universität Kiel.

Wenn die Elektronen sich durch den magnetischen Wirbel bewegen, spüren sie die Verkippung zwischen den atomaren Stabmagneten, wodurch sich der Widerstand des Materials lokal ändert. „Diesen Effekt konnten wir mittels aufwendiger numerischer Computersimulationen der elektronischen Eigenschaften verstehen und ein einfaches Modell für die Widerstandsänderung entwickeln“, wie der Doktorand Fabian Otte erläutert.

In zukünftigen Anwendungen könnte dieser neu entdeckte Effekt genutzt werden, um die Skyrmionenbits auf einfache Weise auszulesen. Die Möglichkeit, beliebige metallische Elektroden verwenden zu können, erleichtert dabei die Herstellung und den Betrieb der neuartigen Speicherelemente erheblich.


Originalveröffentlichung:
Electrical detection of magnetic skyrmions by tunnelling non-collinear magnetoresistance,
Christian Hanneken, Fabian Otte, André Kubetzka, Bertrand Dupé, Niklas Romming, Kirsten von Bergmann, Roland Wiesendanger und Stefan Heinze, Nature Nanotechnology, Online-Veröffentlichung vom 05.10.2015,
DOI: 10.1038/nnano.2015.218.

Weitere Informationen:
Dr. Kirsten von Bergmann
Universität Hamburg
Jungiusstr. 11A
20355 Hamburg
E-Mail: kbergman@physnet.uni-hamburg.de
Tel.: (0 40) 4 28 38 - 62 95

Weitere Informationen:

http://www.nanoscience.de
http://www.sfb668.de

Heiko Fuchs | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Volle Konzentration am Steuer
25.11.2016 | Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund

nachricht Warum Reibung von der Zahl der Schichten abhängt
24.11.2016 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie