Magnetische Skyrmionen ‒ bereit zum Abheben?

Skyrmions move in a magnetic track irradiated with helium ions.
(c) MBI/Michael Schneider

Magnetische Skyrmionen sind extrem kleine und sehr stabile Magnetisierungswirbel, die häufig als „topologische Quasiteilchen“ bezeichnet werden, da ein solches Spin-Ensemble eine besondere Stabilität aufweist. Sie sind aus zwei Gründen wissenschaftlich interessant: Zum einen könnten magnetische Skyrmionen als Informationsträger in Informationstechnologien der Zukunft fungieren. Zum anderen bieten Skyrmionen in dünnen magnetischen Filmen ein ideales Testfeld, um die Dynamik von topologisch nicht-trivialen magnetischen Quasiteilchen zu untersuchen. Einem Forscherteam unter der Leitung des Max-Born-Instituts ist es gelungen, die Erzeugung des Skyrmions auf der Nanometerskala zu kontrollieren.

Magnetische Skyrmionen sind extrem kleine und sehr stabile Magnetisierungswirbel, die häufig als „topologische Quasiteilchen“ bezeichnet werden, da ein solches Spin-Ensemble eine besondere Stabilität aufweist. Skyrmionen können bewegt und verschoben werden, ohne dass sie sich in ihrer Form und Größe ändern. In ferromagnetischen Dünnschichten lassen sie sich einfach mit einem elektrischen Stromimpuls oder noch schneller mit einem Laserimpuls erzeugen ‒ allerdings bisher nur an zufälligen Stellen im Material.

Skyrmionen sind aus zwei Gründen wissenschaftlich interessant: Zum einen könnten magnetische Skyrmionen als Informationsträger in Informationstechnologien der Zukunft fungieren. Zum anderen bieten Skyrmionen in dünnen magnetischen Filmen ein ideales Testfeld, um die Dynamik von topologisch nicht-trivialen magnetischen Quasiteilchen zu untersuchen. Um auf diesem Gebiet Fortschritte zu erzielen, ist jedoch eine zuverlässige Erzeugung des magnetischen Skyrmions an kontrollierten Positionen absolut erforderlich. Einem Forscherteam unter der Leitung des Max-Born-Instituts ist es nun gelungen, die Erzeugung des Skyrmions auf der Nanometerskala zu kontrollieren, und zwar mit zwei unabhängigen Ansätzen: durch He+-Ionen-Bestrahlung oder durch die Verwendung von reflektierenden Masken auf der Rückseite des magnetischen Materials.

Von zufällig verteilten Skyrmionen zur Positionskontrolle im Nanometerbereich in magnetischen Dünnschichten (ausführliche Bildbeschreibung siehe weiter unten)
(c) MBI

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Erzeugung, Auslöschung und Bewegung magnetischer Skyrmionen in magnetischen Dünnschichten erzielt. Ein wichtiges Werkzeug zur Untersuchung dieser magnetischen Texturen im Nano- bis Mikrometermaßstab ist deren direkte Abbildung ‒ entweder mit sichtbarem Licht oder mit Röntgenstrahlen. Um aber die dynamischen Eigenschaften des Skyrmions in Verbindung mit seiner räumlichen Struktur untersuchen zu können, muss man ein Video aufnehmen, das aus vielen Einzelbildern besteht. Die direkte Aufnahme eines Skyrmionenfilms auf den relevanten Zeitskalen von Nano- oder sogar Pikosekunden ist jedoch kaum möglich ‒ die für ein Einzelbild erforderliche Aufnahmezeit ist in der Regel zu lang. Dieses Problem wird normalerweise durch sich wiederholende stroboskopische Messungen ‒ so genannte „Pump-Probe-Experimente“ ‒ gelöst, bei denen derselbe Prozess während der Bildaufnahme immer wieder wiederholt wird. Um solche zeitaufgelösten Messungen zu ermöglichen, muss die Dynamik des magnetischen Skyrmions kontrollierbar und deterministisch sein. Ein Forscherteam unter der Leitung des Max-Born-Instituts hat nun zwei Methoden entwickelt, um Skyrmionen zuverlässig an gewünschten Positionen zu erzeugen und ihre Bewegung zu steuern ‒ wesentliche Schritte zur Aufnahme von Videos bewegter Skyrmionen und zum Verständnis topologischer Quasiteilchen.

Eine erste Methode beruht auf der gezielten Bestrahlung einer dünnen magnetischen Schicht mit einem fokussierten Heliumionenstrahl, um flexibel Muster verschiedener Formen und Größen im magnetischen Material zu erzeugen. Wichtig ist, dass diese lokale Modifikation durch die sehr leichten Ionen nur die magnetischen Eigenschaften des Materials beeinflusst, während die Schicht strukturell intakt bleibt. Durch den Einsatz von Heliumionen ist es möglich, Positionen zu definieren, an denen Skyrmionen nukleieren, nachdem ihre Entstehung durch einen kurzen elektrischen Strom- oder Laserpuls ausgelöst wurde (siehe Abb. 1, wo Skyrmionen in zwei Reihen isolierter Punkte entstehen). Insbesondere erweist sich die magnetische Modifikation als sanft genug, um sogar eine kontrollierte Ablösung des Skyrmions von seinem Entstehungsort und seine anschließende ungehinderte Bewegung zu ermöglichen. Durch die Kombination einer solchen Entstehungsstelle der Skyrmionen mit einem vorgezeichneten Bewegungspfad konnte das Team außerdem zeigen, dass sich ein magnetisches Skyrmion, das durch elektrische Strompulse erzeugt und bewegt wird, sich kontinuierlich über Dutzende von Mikrometern in einem so genannten magnetischen Racetrack hin- und herbewegt ‒ wobei jegliche unerwünschte Seitwärtsbewegung, die für stromgetriebene Skyrmionen typisch ist, vollständig unterdrückt wird.

In einem zweiten Ansatz zur kontrollierten Erzeugung von Skyrmionen entwarfen die Forscher reflektierende, nanostrukturierte Masken auf der Rückseite des magnetischen Materials. Diese Masken ermöglichen es, die Anregungsamplituden, die erreicht werden, wenn der Laser auf den Magnetfilm trifft, mit einer Präzision im Nanometerbereich zu kontrollieren. Dadurch entstehen erlaubte und verbotene Bereiche, in denen Skyrmionen entstehen können (siehe Abb. 1, wo Skyrmionen auf einem quadratischen Gitter nukleiert werden). Da die Masken auf der dem Laser abgewandten Seite der Probe präpariert werden, bleibt der Zugang zum Magnetfilm auf der Vorderseite frei, z. B. zur Untersuchung der Skyrmionen. Die Verwendung von reflektierenden Masken, die einen ungehinderten Zugang zur Magnetschicht erlauben, kann leicht auf die Untersuchung anderer laser-induzierter Schaltphänomene übertragen werden, um die geschalteten Bereiche im Nanometerbereich zu kontrollieren.

Die Ergebnisse dieser Studien können sich auch auf die Erforschung neuer Computer- und Datenspeicherkonzepte auswirken. In den letzten Jahrzehnten stieg die Nachfrage nach immer höheren Datenspeicherdichten und effizienten Rechenkapazitäten, was ein großes industrielles Interesse an der Erforschung magnetischer Effekte hervorgerufen hat, die auf ultraschnellen und ultrakleinen Skalen für technologische Anwendungen auftreten. Ein möglicher Kandidat als Informationsträger der nächsten Generation ist das magnetische Skyrmion. Mit dem Gewinn an Kontrolle über die Skyrmion-Erzeugung und -Bewegung und dem Potenzial für eine weitere Miniaturisierung könnte die Technologie letztlich den Weg für mögliche zukünftige Anwendungen in Skyrmionen-Racetrackspeichern, Schieberegistern und Logikgattern ebnen.

Bildbeschreibung:
Abbildung 1: Von zufällig verteilten Skyrmionen zur Positionskontrolle im Nanometerbereich in magnetischen Dünnschichten: Zwei Ansätze, entweder durch Helium-Ionen-Bestrahlung oder durch reflektierende Masken, ermöglichen die räumliche Kontrolle der Skyrmionen-Erzeugung und -Bewegung auf der Nanometerskala. Der Schwarz-Weiß-Kontrast stellt die Magnetisierung der dünnen Magnetschicht dar, die in Bezug auf die Ebene entweder „nach oben“ oder „nach unten“ zeigt. Die Skyrmionen erscheinen als schwarze Punkte auf dem Hintergrund des ansonsten gleichmäßig magnetisierten (weißen) Dünnfilms. Die Skyrmionen werden entweder durch elektrischen Strom (blauer Pfeil) oder durch Laserpulse (roter Pfeil) erzeugt. Bei unstrukturierten dünnen Schichten verteilen sie sich zufällig in der Schicht, während sie sich bei den beschriebenen Strukturierungsmethoden an vordefinierten Positionen in einem quadratischen Gitter bilden. Quelle: MBI / Lisa-Marie Kern

Teaser Bild:
Skyrmions move in a magnetic track irradiated with helium ions.
Quelle: MBI/Michael Schneider

Weiterführende Informationen: https://mbi-berlin.de/research/highlights/details/magnetic-skyrmions-ready-for-t…

Deterministic Generation and Guided Motion of Magnetic Skyrmions by Focused He+-Ion Irradiation
Lisa-Marie Kern, Bastian Pfau, Victor Deinhart, Michael Schneider, Christopher Klose, Kathinka Gerlinger, Steffen Wittrock, Dieter Engel, Ingo Will, Christian M. Günther, Rein Liefferink, Johan H. Mentink, Sebastian Wintz, Markus Weigand, Meng-Jie Huang, Riccardo Battistelli, Daniel Metternich, Felix Büttner, Katja Höflich, and Stefan Eisebitt
Nano Lett. 2022, 22, 10, 4028–4035
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00670
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00670

Tailoring optical excitation to control magnetic skyrmion nucleation
Lisa-Marie Kern, Bastian Pfau, Michael Schneider, Kathinka Gerlinger, Victor Deinhart, Steffen Wittrock, Themistoklis Sidiropoulos, Dieter Engel, Ingo Will, Christian M. Günther, Kai Litzius, Sebastian Wintz, Markus Weigand, Felix Büttner, and Stefan Eisebitt
Phys. Rev. B 106, 054435 (2022)
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.054435
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.054435

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
www.mbi-berlin.de

Prof. Dr. Stefan Eisebitt
stefan.eisebitt@mbi-berlin.de
+49 30 6392 1300

Dr. Bastian Pfau
bastian.pfau@mbi-berlin.de
+49 30 6392 1321

Originalpublikation:

Deterministic Generation and Guided Motion of Magnetic Skyrmions by Focused He+-Ion Irradiation
Lisa-Marie Kern, Bastian Pfau, Victor Deinhart, Michael Schneider, Christopher Klose, Kathinka Gerlinger, Steffen Wittrock, Dieter Engel, Ingo Will, Christian M. Günther, Rein Liefferink, Johan H. Mentink, Sebastian Wintz, Markus Weigand, Meng-Jie Huang, Riccardo Battistelli, Daniel Metternich, Felix Büttner, Katja Höflich, and Stefan Eisebitt
Nano Lett. 2022, 22, 10, 4028–4035
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c00670
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00670#

https://mbi-berlin.de/research/highlights/details/magnetic-skyrmions-ready-for-t…

Weitere Informationen:

Tailoring optical excitation to control magnetic skyrmion nucleation
Lisa-Marie Kern, Bastian Pfau, Michael Schneider, Kathinka Gerlinger, Victor Deinhart, Steffen Wittrock, Themistoklis Sidiropoulos, Dieter Engel, Ingo Will, Christian M. Günther, Kai Litzius, Sebastian Wintz, Markus Weigand, Felix Büttner, and Stefan Eisebitt
Phys. Rev. B 106, 054435 (2022)
DOI: 10.1103/PhysRevB.106.054435
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.106.054435

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