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 Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

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: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Im Focus: Making lightweight construction suitable for series production

More and more automobile companies are focusing on body parts made of carbon fiber reinforced plastics (CFRP). However, manufacturing and repair costs must be further reduced in order to make CFRP more economical in use. Together with the Volkswagen AG and five other partners in the project HolQueSt 3D, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) has developed laser processes for the automatic trimming, drilling and repair of three-dimensional components.

Automated manufacturing processes are the basis for ultimately establishing the series production of CFRP components. In the project HolQueSt 3D, the LZH has...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

200 Weltneuheiten beim Innovationstag Mittelstand in Berlin

26.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Wie digitale Technik die Patientenversorgung verändert

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Akute Myeloische Leukämie: Ulmer erforschen bisher unbekannten Mechanismus der Blutkrebsentstehung

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Naturkatastrophen kosten Winzer jährlich Milliarden

26.04.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Zusammenhang zwischen Immunsystem, Hirnstruktur und Gedächtnis entdeckt

26.04.2017 | Biowissenschaften Chemie