Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker beobachten Bewegung von Skyrmionen

04.02.2015

Magnetische Wirbel sind Kandidaten für künftige Datenspeicherung und Informationsverarbeitung

Kleine magnetische Wirbel könnten künftig die Datenspeicherung und Informationsverarbeitung revolutionieren, wenn sie auf kleinstem Raum schnell und zuverlässig zu bewegen sind. Einem Team von Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der TU Berlin ist es zusammen mit Kollegen aus den Niederlanden und der Schweiz gelungen, die Bewegung dieser Wirbel zu beobachten und experimentell zu untersuchen.


Magnetische Scheibe mit einem Wirbel: Die Magnetisierung ist durch die Pfeile dargestellt. Der gebogene Golddraht wird zum Erzeugen des Feldpulses benötigt.

Abb.: Benjamin Krüger

Die Skyrmionen, wie die winzigen Magnetisierungswirbel nach dem britischen Kernphysiker Tony Skyrme genannt werden, folgen demnach einer komplexen Bahn und setzen ihre Bewegung auch dann weiter fort, wenn sie nicht mehr durch äußere Impulse angestoßen werden. Dieser Effekt ist entscheidend, wenn die Skyrmionen später in einem Speicher an die gewünschte Position bewegt werden sollen. Die Forschungsarbeit wurde im Fachmagazin Nature Physics mit einem Stipendiaten der Exzellenz-Graduiertenschule "Materials Science in Mainz" (MAINZ) als Erstautor publiziert.

Skyrmionen sind kleine Magnetisierungswirbel in magnetischen Materialien. Im Falle der jetzt vorgestellten Forschungsarbeit wurden Skyrmionen mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern erzeugt, was ungefähr dem Tausendstel der Dicke eines Haars entspricht. Zunächst wurden dazu an der JGU kleine magnetische Scheiben präpariert. "Wenn wir dann ein bestimmtes externes Magnetfeld anlegen, zeigen sich in der Scheibe magnetische Wirbel", erklärt Dr. Benjamin Krüger aus der Arbeitsgruppe von Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui am Institut für Physik der JGU. Diese Skyrmionen wurden dann durch einen Magnetfeldpuls angestoßen, um ihre Bewegung zu verfolgen.

Die beteiligten Wissenschaftler konnten nun die Dynamik dieser Strukturen erstmals auf sehr kurzen Zeitskalen experimentell untersuchen, indem sie ein holografisches Messverfahren mit kurzen und sehr intensiven Röntgenpulsen anwendeten. Das an der TU Berlin entwickelte Verfahren kann in zeitlichen Abständen von weniger als einer Nanosekunde mehrere Bilder aufnehmen. Aus diesen Bildern lässt sich dann die Position des Wirbels ermitteln und mit theoretischen Rechnungen vergleichen.

"Die Messung zeigte, dass sich das Skyrmion auf einer sehr komplexen Bahn bewegt, einer sogenannten Hypozykloiden", erläutert Krüger. Die Tatsache, dass sich das Skyrmion auf einer solchen Kurvenbahn bewegt, setzt voraus, dass es eine gewisse Trägheit besitzt – eine Trägheit vergleichbar mit einem Auto, das sich weiterbewegt, auch nachdem das Gaspedal nicht mehr gedrückt wird. Die Trägheit des Skyrmions entsteht daher, dass sich der Wirbel verformen kann und so Energie aufnimmt. Wird das Skyrmion nicht mehr weiter durch Felder angestoßen, so führt die in ihm gespeicherte Energie zu einer weiteren Bewegung.

"Dieser Effekt wurde bisher in vielen Arbeiten nicht berücksichtigt, ist aber für die Entwicklung von sehr kleinen magnetischen Speichern essenziell", erklärt Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui. "Nur wenn wir diesen Effekt berücksichtigen, lässt sich der Feldpuls bestimmen, der nötig ist, um das Skyrmion später im Speicher an die gewünschte Position zu bewegen." Skyrmionen können wichtig für die Zukunft der magnetischen Datenspeicherung und Informationsverarbeitung werden. In zukünftigen Datenspeichern könnten diese Wirbel entlang eines Nanodrahts oder in anderen Nanostrukturen schnell und zuverlässig bewegt werden. Ein solcher Speicher würde auch beim Abschalten des Stroms seine Informationen behalten und es würden keine beweglichen Teile, wie der Schreib- oder Lesekopf einer Festplatte, benötigt.

Ein Vergleich mit Computersimulationen an der JGU zeigt außerdem, dass die Art der Bewegung des Skyrmions nur sehr schwach von der Form der Scheibe, in der der Wirbel erzeugt wurde, oder von Fehlern im Material beeinflusst wird. Hingegen ist eine substanzielle Abhängigkeit von der Form des Wirbels, seiner Topologie, zu beobachten. Dies lässt erwarten, dass sich das Ergebnis auf alle Arten von Skyrmionen mit derselben Topologie erweitern lässt.

"Ich freue mich neben der guten Zusammenarbeit mit den Kollegen insbesondere darüber, dass die experimentellen Messungen und auch die Theorie von Mitarbeitern aus dem Institut für Physik und der Graduiertenschule MAINZ zusammen erarbeitet wurden", ergänzt Kläui. Die Graduiertenschule MAINZ wurde in der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder im Jahr 2007 bewilligt und erhielt in der zweiten Runde 2012 eine Verlängerung für weitere fünf Jahre. Sie besteht aus Arbeitsgruppen der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der Technischen Universität Kaiserslautern und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung. Einer der Forschungsschwerpunkte ist die Spintronik, wobei die Zusammenarbeit mit führenden internationalen Partnern eine wichtige Rolle spielt.

Veröffentlichung:
Felix Büttner et al.
Dynamics and inertia of skyrmionic spin structures
Nature Physics, 2. Februar 2015
DOI:10.1038/nphys3234

Weitere Informationen:
Univ.-Prof. Dr. Mathias Kläui
Theorie der kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23633
E-Mail: klaeui@uni-mainz.de
http://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/308.php

Exzellenz Graduiertenschule Materials Science in Mainz
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-26984
Fax +49 6131 39-26983
E-Mail: mainz@uni-mainz.de
http://www.mainz.uni-mainz.de/

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3234.html - Originalpublikation ;
http://www.mainz.uni-mainz.de - Exzellenz-Graduiertenschule MAINZ

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie