Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanoskalige Magnetwirbel mit ferroelektrischer Polarisation

20.11.2015

In einem Halbleitermaterial detektierte magnetische Skyrmionen mit speziellen elektrischen Eigenschaften versprechen entscheidende Fortschritte zu energieeffizienten Speichermedien der Zukunft

Forschern aus Augsburg und Dresden ist es gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen aus Japan, der Schweiz und Ungarn gelungen, nanoskalige Magnetwirbel - sogenannte Skyrmionen - in einem magnetischen Halbleiter zu detektieren.


Skyrmion: Magnetwirbel aus atomaren Elementarmagneten

@ Universität Augsburg/EP V

"Die Tatsache dass die Wirbel in diesem speziellen Material gleichzeitig magnetisch sind und elektrische Ordnung zeigen, verspricht deutliche Fortschritte auf dem Weg zu einer energieeffizienten Datenspeicherung", resümiert der Augsburger Experimentalphysiker Prof. Dr. Alois Loidl die jüngst in Nature Materials und Science Advances veröffentlichten Ergebnisse dieser internationalen Forschungskooperation.

Bereits vor mehr als 50 Jahren beschrieb Tony Skyrme (Harwell) theoretisch Wirbelfelder, die sich wie Teilchen mit endlicher Masse verhalten; später wurden diese Wirbelfelder zu Ehren des britischen Physikers Skyrmionen genannt.

Unter Nutzung von Skyrmes theoretischem Konzept sagten Bogdanov und Mitarbeiter (TU Dresden) dann die Existenz thermodynamisch stabiler Spinwirbel in magnetisch geordneten Systemen voraus, in denen sich atomare Elementarmagnete in äußerst robusten und stabilen Wirbelstrukturen anordnen.

Solche Magnetwirbel - magnetische Skyrmionen also - wurden 2009 von Pfleiderer und Mitarbeiter (TU München) in Mangansilizium (MnSi), einem metallischen Ferromagneten, bei tiefen Temperaturen und kleinen Magnetfeldern tatsächlich gefunden.

Seither konnten Skyrmionen in sehr unterschiedlichen Materialien, in Metallen und Isolatoren, in Kristallen und in dünnen magnetischen Filmen nachgewiesen werden. Insbesondere in dünnen Filmen konnten diese robusten magnetischen Wirbel auch bei Raumtemperatur stabilisiert werden.

Magnetische Skyrmionen können heute relativ einfach erzeugt (geschrieben) und vernichtet (gelöscht) werden. Sie gelten als ideale Speichermedien der Zukunft, denn sie sind nur einige Nanometer groß, bestehen aus wenigen Atomen und haben damit magnetische Strukturen, die deutlich kleiner sind als diejenigen, die für die konventionelle Datenspeicherung verwendet werden. Magnetische Skyrmionen können durch kleinste Ströme bewegt, mit geringstem Energieaufwand und fast verlustfrei manipuliert werden.

Als die kleinsten stabilen magnetischen Strukturen eignen sie sich ideal für eine Erhöhung der Speicherdichte. Ihre Manipulation erfordert nur minimale Ströme, um Größenordnungen geringer als in konventioneller Technologie, und verspricht damit höchste Energieeffizienz. "Dementsprechend groß ist die Hoffnung, dass diese nanoskaligen Magnetwirbel mittelfristig die Speichertechnologie revolutionieren werden", sagt Loidl.

Er und seine Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Experimentalphysik V der Universität Augsburg konnten nun gemeinsam mit Forschern aus Budapest und Dresden sowie aus der Schweiz und aus Japan derartige nanoskalige Magnetwirbel erstmals in einem magnetischen Halbleiter - nämlich in der Gallium-Verbindung GaV4S8 - detektieren (Kézsmárki et al., Nature Materials 14, 1116, 2015). Die in dieser Verbindung neu entdeckten Skyrmionen zeigen eine bisher nicht gekannte magnetische Struktur, denn die atomaren Elementarmagnete, die einen Spin-Wirbel aufbauen, drehen hier senkrecht zur Ebene („Skyrme meets Néel“, Nature Physics 11, 800, 2015).

Aber noch wichtiger ist die Tatsache, dass diese magnetischen Skyrmionen im Halbleiter GaV4S8 auch signifikante ferroelektrische Polarisation tragen (Ruff et al., Science Advances 1, E1500916, 2015): Um den Kern des Spinwirbels bildet sich durch magnetoelektrische Wechselwirkung eine ringförmige Anordnung parallel ausgerichteter atomarer elektrischer Dipolmomente, die sensitiv für elektrische Felder sind, während die magnetischen Skyrmionen auf magnetische Felder reagieren.

"Dadurch", fasst Loidl zusammen, "wird es künftig möglich sein, ferroelektrische Polarisation tragende Skyrmionen, wie wir sie in GaV4S8 detektiert haben, nicht nur mit magnetischen, sondern auch mit elektrischen Feldern zu manipulieren und damit einen weiteren wichtigen Schritt hin zu einer nicht-dissipativen und dementsprechend energieeffizienten Datenspeicherung zu gehen."


Originalveröffentlichungen:

I. Kézsmárki, S. Bordács, P. Milde, E. Neuber, L. M. Eng, J. S. White, H. M. Ronnow, C. D. Dewhurst, M. Mochizuki, K. Yanai, H. Nakamura, D. Ehlers, V. Tsurkan, and A. Loidl: Néel-type skyrmion lattice with confined orientation in the polar magnetic semiconductor GaV4S8, Nature Materials 14, 1116 (2015)

E. Ruff, S. Widmann, P. Lunkenheimer, V. Tsurkan, S. Bordács, I. Kézsmárki, and A. Loidl: Multiferroicity and skyrmions carrying electric polarization in GaV4S8, Science Advances 1, E1500916 (2015)

Skyrme meets Néel, Research Highlights, Nature Physics 11, 800 (2015)


Zu orbital getriebener Ferroelektrizität in GaV4S8 siehe auch:

Zhe Wang, E. Ruff, M. Schmidt, V. Tsurkan, I. Kécsmárki, P. Lunkenheimer, and A. Loidl: Polar dynamics at the Jahn-Teller transition in ferroelectric GaV4S8, Physical Review Letters 115, 207601 (2015)


Ansprechpartner:

Prof. Dr. Alois Loidl
Experimentalphysik V
Center for Electronic Correlations and Magnetism
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Email: alois.loidl@physik.uni-augsburg.de
http://www.physik.uni-augsburg.de/exp5

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/nmat/journal/v14/n11/full/nmat4402.html
http://advances.sciencemag.org/content/1/10/e1500916
http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n10/full/nphys3511.html

Klaus P. Prem | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

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 Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten