Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der Tanz der Nanowirbel

03.02.2015

Mit Hilfe der Röntgenholografie gelang es, die Bewegungsmuster sogenannter Skyrmionen sichtbar zu machen. Dabei stießen die Forscher auf eine neue Erkenntnis: Die Nanowirbel besitzen eine Masse / Die Arbeit erscheint am 2. Februar 2015 in „Nature Physics“

Das Phänomen ist bekannt: Wenn ein Kreisel angeschubst wird oder auf einer geneigten Fläche rotiert, bewegt er sich meist nicht geradlinig vorwärts, sondern beschreibt kleine Bögen. Forschern der TU Berlin und der Universität Mainz ist es zusammen mit Forschungsteams aus den Niederlanden und der Schweiz nun gelungen, solche Bewegungsmuster auch in einem magnetischen Schichtsystem sichtbar zu machen – und zwar in Form von kleinen magnetischen Nanowirbeln. Dabei stießen die Forscher auf einen neuen Befund: Die Nanowirbel besitzen eine Masse. Der Artikel wird in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ publiziert.


Der dünne magnetische Film wird hier als graue Scheibe gezeigt. Seine lokale Magnetisierung verdeutlichen die kleinen Pfeile. In der Mitte befindet sich ein magnetischer Wirbel. Ein Nanodraht aus Gold in Form eines „Omegas“ umgibt die Magnetschicht. Ein kurzer Strompuls durch diesen Nanodraht lenkt das „Skyrmion“ (blaue Kugel) aus seiner Ruhelage aus. Auf einer Spiralbahn bewegt es sich zurück in seine Ausgangsposition. Dies lässt sich mit Hilfe der Röntgenholografie beobachten. Die spiralförmige Bahn und das Skyrmion sind schematisch oberhalb der Struktur dargestellt.

© Grafik: B. Krüger

„Die magnetischen Nanowirbel können wir mit Hilfe von Magnetfeldern gezielt erzeugen und dann ‚anschubsen‘, sodass sie aus ihrer Gleichgewichtslage herausgelenkt werden“, erklärt Dr. Felix Büttner, der diese Forschungen in seiner Doktorarbeit vorangetrieben hat. „Wir konnten dann sehr genau verfolgen, auf welchem Weg diese Skyrmionen, wie diese besonderen Nanowirbel genannt werden, sich in ihre Ruhelage zurückbewegen“, so Büttner weiter.

Die Wirbel entstehen in dünnen magnetischen Schichtsystemen, in denen abwechselnd Lagen aus einer Kobalt-Bor Legierung und Platin-Schichten übereinandergestapelt sind. Jede Einzelschicht ist weniger als ein Nanometer dick. Dadurch entstehen besondere magnetische Eigenschaften. Der Durchmesser dieser magnetischen Wirbel ist nicht größer als 100 Nanometer. Das ist etwa ein Tausendstel eines Haardurchmessers.

Mit einer besonderen Technik gelang es den Forschern, die Bewegung der Skyrmionen mit einer Präzision von wenigen Nanometern in Zeitabständen von weniger als einer Nanosekunde aufzunehmen und zu dokumentieren. Ermöglicht wurde dies durch holografische Aufnahmetechniken mittels intensiver Röntgenpulse an der Berliner Synchrotronquelle BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Diese holografischen Aufnahmetechniken sind am TU-Fachgebiet „Nanometeroptik und Röntgenstreuung“ von Prof. Dr. Stefan Eisebitt gemeinsam mit dem HZB über Jahre weiterentwickelt worden.

Was Büttner und seine Mitstreiter in den Röntgenhologrammen sahen, war bemerkenswert: „Ähnlich wie ein angestoßener Kreisel bewegt sich der Nanowirbel nicht geradlinig, sondern auf einer spiralförmigen Bahn“, erklärt Büttner. „Durch den Vergleich unserer Messungen mit Modellrechnungen stellten wir fest, dass sich diese spiralförmige Bewegung nur erklären lässt, wenn das Skyrmion eine Masse besitzt.“

Dies ist ein wichtiger Befund, da die hier beobachteten Nanowirbel nur eine spezielle Art von in der Natur zu findenden Skyrmionen sind. „Skyrmionen wurden in der Vergangenheit vielfach als Teilchen ohne Masse beschrieben“, erläutert Christoforos Moutafis vom Paul Scherrer Institut, der sich schon lange mit der theoretischen Beschreibung solcher Strukturen auseinandersetzt. Daher wird das in dieser Arbeit etablierte „Konzept“ von Masse auch zum Verständnis dieser Teilchen beitragen, wie die Forscher in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ darlegen.

Speziell diese magnetischen Nanowirbel in dünnen magnetischen Schichten könnten auch für konkrete Anwendungen in Frage kommen: Sie werden bereits heute als alternative Informationsträger in der Datenspeicherung und -verarbeitung diskutiert. Forscher vermuten, dass sich aufgrund ihrer „Wirbeleigenschaft“ Bits, also Informationseinheiten, auf kleinerem Raum und deutlich stabiler als bisher speichern und bewegen lassen. Möglicherweise können nun die neuen Einsichten in das Verhalten der Skyrmionen dazu beitragen, solche neuartigen Konzepte für die Informationsverarbeitung zu verwirklichen.

Die Arbeit wird in „Nature Physics“ online publiziert (Advanced Online Publication):
http://www.nature.com/nphys/research/index.html?articles=aop
„Dynamics and inertia of skyrmionic spin structures“, Felix Büttner, C. Moutafis, M. Schneider, B. Krüger, C. M. Günther, J. Geilhufe, C. v. Korff Schmising, J. Mohanty, B. Pfau, S. Schaffert, A. Bisig, M. Foerster, T. Schulz, C. A. F. Vaz, J. H. Franken, H. J. M. Swagten, M. Kläui and S. Eisebitt

Gemeinsame Medieninformation von TU Berlin und Helmholtz-Zentrum Berlin

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Prof. Dr. Stefan Eisebitt
TU Berlin
Fachgebiet „Nanometeroptik und Röntgenstreuung“
Tel.: 030/314-25496, -22258 (Sekr.)
E-Mail: eisebitt@physik.tu-berlin.de

Weitere Informationen:

http://www.tu-berlin.de/?id=156241
http://www.nature.com/nphys/research/index.html?articles=aop

Stefanie Terp | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften