Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Magnetische Wirbel maßgeschneidert

04.06.2014

Kieler Forscher erklären Auftreten von Skyrmionen in atomar dünnen Metallfilmen

Im letzten Jahr haben deutsche Physikerinnen und Physiker in einer international viel beachteten Arbeit erstmals demonstriert, dass sich einzelne magnetische Skyrmionen – stabile, wirbelförmige Strukturen aus atomaren Spins – kontrolliert erzeugen und löschen lassen.


Winzige magnetische Wirbel mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern treten in einem atomar dünnen Eisenfilm auf. Die Grafik zeigt den „atomaren Stabmagneten“ eines jeden Eisenatoms, dargestellt durch einen kleinen farbigen Pfeil (rechts). Ein homogener, ferromagnetischer Hintergrund ist durch die roten, nach oben zeigenden Pfeile zu erkennen. In den magnetischen Wirbeln – den Skyrmionen – drehen die „atomaren Stabmagnete“ der Eisenatome (orangene und grüne Pfeile) und weisen in ihrem Zentrum eine entgegengesetzte Ausrichtung auf (blaue Pfeile). Links ist die sogenannte Skyrmionendichte als farbiges Bild zu sehen. Der ferromagnetische Hintergrund hat eine verschwindende Skyrmionendichte (blau), während die Skyrmionen als kleine „Hügel“ sichtbar werden. Copyright: B. Dupé, Universität Kiel

Diese Spinstrukturen haben wegen ihres Durchmessers von nur wenigen Nanometern und der leichten Manipulierbarkeit mit elektrischen Strömen ein großes Potenzial für Anwendungen in der Spinelektronik. Warum derartige Spinstrukturen in solchen ultradünnen Metallfilmen auftreten, war jedoch bislang vollkommen unverstanden. Dieses Problem haben theoretische Physiker der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) nun gelöst.

In ihrer Arbeit, die heute (Mittwoch, 4. Juni) in dem renommierten Journal Nature Communications erschienen ist, zeigen die Forscher, wie sich durch die Struktur und chemische Zusammensetzung von Grenzflächen die Eigenschaften der Skyrmionen maßschneidern lassen.

Vor mehr als 20 Jahren haben theoretische Physiker das Auftreten von stabilen, wirbelförmigen Spinstrukturen in magnetischen Materialien vorhergesagt. Ein experimenteller Nachweis gelang jedoch erst vor wenigen Jahren in exotischen Materialien mit einer speziellen Kristallstruktur.

Kürzlich wurden magnetische Skyrmionen auch in ultradünnen magnetischen Metallfilmen entdeckt, wodurch eine ganz neue Materialklasse entdeckt wurde, die für Anwendungen in der Spinelektronik besonders geeignet ist. Experimentell gelang es einer deutschen Forschungsgruppe im letzten Jahr sogar, einzelne magnetische Skyrmionen zu schreiben und zu löschen – eine grundlegende Voraussetzung für neuartige Datenspeicher.

Warum in den untersuchten Metallfilmen isolierte Skyrmionen auftreten, war jedoch bislang vollkommen unklar. Dieses Problem haben theoretische Physiker der Universität Kiel nun gelöst. „Für uns war eine Schlüsselfrage, wie die magnetischen Wechselwirkungen in den ultradünnen Filmen kontrolliert werden können“, sagt Professor Stefan Heinze, Leiter der Kieler Arbeitsgruppe.

Basierend auf quantenmechanischen Berechnungen, die auf Supercomputern am Hochleistungsrechenzentrum in Hannover (HLRN) vorgenommen wurden, konnten die Forscher zeigen, dass insbesondere die Austauschwechselwirkung, die die relative Ausrichtung der atomaren Stabmagnete kontrolliert, in den Metallfilmen entscheidend verändert werden kann. Die Wechselwirkung, die für den Drehsinn der magnetischen Strukturen verantwortlich ist, blieb dabei entgegen der Annahmen anderer Forschender in unterschiedlichen Filmsystemen nahezu gleich. Heinze: „Damit konnten wir nicht nur die früheren Experimente erklären, sondern auch Vorhersagen für neue Systeme machen.“

Die numerischen Simulationen zeigen die Ausbildung von magnetischen Wirbeln, die nur einen definierten Rotationssinn - rechtsdrehend - besitzen und je nach Filmstruktur und -zusammensetzung einen Durchmesser von zwei bis sechs Nanometern haben (siehe Abbildung). „Zur Simulation dieser Spinstrukturen mussten wir über die bisher verwendeten Verfahren hinausgehen, da die Wechselwirkungen in den Filmen wesentlich komplexer sind, als bisher angenommen wurde“, sagt Dr. Bertrand Dupé, Postdoktorand und Erstautor der Arbeit.

Auch die Stabilität der magnetischen Wirbel lässt sich durch die Struktur und chemische Zusammensetzung der Filme verändern, wodurch sich ein großes Potenzial für das Maßschneidern von Skyrmionen mit den gewünschten Eigenschaften ergibt. Für zukünftige Anwendungen in der Spinelektronik müssen die bisher gefundenen Systeme noch weiterentwickelt werden, da die magnetischen Skyrmionen in den untersuchten Metallfilmen nur bei sehr tiefen Temperaturen auftreten. Die Arbeiten der Kieler Forscher zeigen aber, wie der Weg dahin verlaufen könnte.

Hintergrundinformationen:
Der Spin der Elektronen, der mit einem magnetischen Moment verknüpft ist und in magnetischen Materialien zur Ausbildung „atomarer Stabmagnete“ (atomarer Spins) führt, eignet sich dazu, Informationen zu verarbeiten und zu kodieren. Durch seine gezielte Manipulation könnte man schnellere, energiesparsamere und leistungsfähigere Bauelemente für die Informationstechnologie schaffen = Spinelektronik.

Pressemeldung der Universität Hamburg zur experimentellen Demonstration des Schreibens und Löschens einzelner Skyrmionen vom 08.08.2013: www.nanoscience.de/sfb668/aktuelles/presse/2013-08-08.html


Originalveröffentlichung:
Tailoring magnetic skyrmions in ultra-thin transition-metal films, Bertrand Dupé, Markus Hoffmann, Charles Paillard und Stefan Heinze, Nature Communications, Online-Veröffentlichung vom 04.06.2014, DOI: 10.1038/ncomms5030.

Kontakt:
Professor Dr. Stefan Heinze
Telefon: 0431 / 880-4127
E-Mail: heinze@theo-physik.uni-kiel.de
Web: www.itap.uni-kiel.de/theo-physik/heinze

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Presse, Kommunikation und Marketing, Dr. Boris Pawlowski
Postanschrift: D-24098 Kiel, Telefon: (0431) 880-2104, Telefax: (0431) 880-1355
e-Mail: ► presse@uv.uni-kiel.de
Text / Redaktion: Claudia Eulitz/Stefan Heinze

Claudia Eulitz | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise