Spintronik: Röntgenmikroskopie an BESSY II kann Domänenwände unterscheiden

Die beiden oberen Reihen zeigen den erwarteten magnetischen Bildkontrast für Skyrmionen vom Typ Bloch und Néel bei Verwendung von zirkular, linear horizontal (LH) und linear vertikal (LV) polarisierter Röntgenstrahlung. Die untere Reihe zeigt die Ergebnisse der experimentellen Raster-Transmissions-Röntgenmikroskopie (STXM), die der Simulation der Skyrmionen vom Néel-Typ ähneln.
Bildnachweis: F. Radu/HZB

Magnetische Skyrmionen sind winzige Wirbel aus magnetischen Spin-Texturen. Im Prinzip könnten Materialien mit Skyrmionen als spintronische Bauelemente verwendet werden, zum Beispiel als sehr schnelle und energieeffiziente Datenspeicher. Doch im Moment ist es noch schwierig, Skyrmionen bei Raumtemperatur zu kontrollieren und zu manipulieren. Eine neue Studie an BESSY II analysiert nun die Bildung von Skyrmionen in einem besonders interessanten Material in Echtzeit und mit hoher räumlicher Auflösung: Es handelt sich um ferrimagnetische Dünnschichten aus Dysprosium und Kobalt. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, den Skyrmionentyp klar zu bestimmen.

Isolierte magnetische Skyrmionen sind topologisch geschützte Spin-Texturen, die wegen ihrer möglichen Anwendungen in der Informationstechnologie gerade intensiv untersucht werden. Besonders interessant sind Skyrmionen, die in ferrimagnetischen Seltenerd-Übergangsmetall-Materialien (RE-TM) auftreten. Sie weisen abstimmbare ferromagnetische Eigenschaften mit antiferromagnetisch gekoppelten Untergittern auf. Durch die Wahl der Elemente aus der Gruppe der Seltenen Erden und der Übergangsmetalle bieten sie eine Spielwiese für die Kontrolle der Magnetisierung und der senkrechten magnetischen Anisotropie, beides Schlüsselparameter für die Stabilisierung topologischer ferrimagnetischer Texturen.

Eine Klasse von ferrimagnetischen Legierungen besitzt eine stärkere senkrechte magnetische Anisotropie, dazu gehört auch eine Verbindung aus Dysprosium (Dy) und Kobalt (Co). Diese Materialien könnten Informationen deutlich stabiler abspeichern, allerdings sind ihre magnetischen Eigenschaften und Strukturen bisher kaum untersucht worden. Ein Team unter der Leitung von Dr. Florin Radu hat nun DyCo3-Proben mit röntgenmikroskopischen Methoden an BESSY II analysiert und die Spinstrukturen bestimmt.

Dazu nutzten sie die Raster-Transmissions-Röntgenmikroskopie mit zirkular oder linear polarisiertem Röntgenlicht, um über röntgenmagnetische Effekte den Kontrast zwischen den Elementen zu steigern. „So konnten wir isolierte ferrimagnetische Skyrmionen in hoher Dichte direkt beobachten und ihren Domänenwandtyp genau bestimmen“, berichtet Radu.

Die Ergebnisse zeigen, dass die ferrimagnetischen Skyrmionen vom Néel-Typ sind und sich deutlich von den anderen Domänenwänden, den Bloch-Wänden, unterscheiden lassen. Damit kann erstmals der Typ der Domänenwände durch Röntgenuntersuchungen zuverlässig bestimmt werden. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Anwendung dieser interessanten Materialklasse für echte spintronische Bauelemente.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Florin Radu: florin.radu@helmholtz-berlin.de

Originalpublikation:

Communications Physics (2023): „Direct observation of Néel-type skyrmions and domain walls in a ferrimagnetic thin film via scanning transmission X-ray microscopy“
Chen Luo, Kai Chen, Victor Ukleev, Sebastian Wintz, Markus Weigand, and Florin Radu. Commun Phys 6, 218 (2023).
https://doi.org/10.1038/s42005-023-01341-7

http://www.helmholtz-berlin.de/

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Dr. Antonia Rötger Kommunikation
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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