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 Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

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: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften