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 Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

nachricht Rotierende Rugbybälle unter den massereichsten Galaxien
23.05.2018 | Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

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: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Im Focus: Faserlaser mit einstellbarer Wellenlänge

Faserlaser sind ein effizientes und robustes Werkzeug zum Schweißen und Schneiden von Metallen beispielsweise in der Automobilindustrie. Systeme bei denen die Wellenlänge des Laserlichts flexibel einstellbar ist, sind für spektroskopische Anwendungen und die Medizintechnik interessant. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) haben, im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „FlexTune“, ein neues Abstimmkonzept realisiert, das erstmals verschiedene Emissionswellenlängen voneinander unabhängig und zeitlich synchron erzeugt.

Faserlaser bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lasern eine höhere Strahlqualität und Energieeffizienz. Integriert in einen vollständig faserbasierten...

Im Focus: LZH zeigt Lasermaterialbearbeitung von morgen auf der LASYS 2018

Auf der LASYS 2018 zeigt das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) vom 5. bis zum 7. Juni Prozesse für die Lasermaterialbearbeitung von morgen in Halle 4 an Stand 4E75. Mit gesprengten Bombenhüllen präsentiert das LZH in Stuttgart zudem erste Ergebnisse aus einem Forschungsprojekt zur zivilen Sicherheit.

Auf der diesjährigen LASYS stellt das LZH lichtbasierte Prozesse wie Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren sowie die additive Fertigung für Metalle,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Was einen guten Katalysator ausmacht

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Superkondensatoren aus Holzbestandteilen

24.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Neue Schaltschrank-Plattform für die Energiewelt

24.05.2018 | Messenachrichten

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics