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Skyrmionen mögen es heiß – Spinstrukturen auch bei hohen Temperaturen steuerbar

13.02.2020

Neue Spinstrukturen für zukünftige Magnetspeicher: Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Skyrmion-Hall-Effekts liefert weitere Einblicke in mögliche neue Datenspeichergeräte

Ein gemeinsames Forschungsprojekt der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen weiteren Meilenstein erreicht. Das internationale Team arbeitet an Strukturen, die als magnetische Schieberegister dienen könnten, sogenannten Racetrack-Speichergeräten.


Die magnetischen Skyrmionen wurden in einem Röntgenmikroskop an einer Probe mit einstellbarer Temperatur beobachtet.

Abb./©: Kai Litzius

Diese Art der Speicherung verspricht niedrige Zugriffszeiten, hohe Informationsdichten und einen geringen Energieverbrauch. Die neuen Erkenntnisse, die in der Fachzeitschrift Nature Electronics veröffentlicht wurden, geben einen Einblick, wie sich die Temperatur auf die Dynamik von Skyrmionen auswirkt.

Die Studie zeigt, dass sich Skyrmionen bei höheren Temperaturen effizienter bewegen und darüber hinaus, dass die Bahn ihrer Bewegung nur von ihrer Geschwindigkeit abhängt. Dies erleichtert das Gerätedesign erheblich.

Skyrmionen könnten künftig als Datenbits für Racetrack-Speicher dienen

Zuvor hatte das Team der JGU und des MIT im Rahmen der Kooperation bereits die milliardenfach reproduzierbare Bewegung von Skyrmionen beobachtet. Skyrmionen sind eine topologisch stabilisierte Spinstruktur und damit ein vielversprechender Kandidat für die Verwendung als Datenbits im Racetrack-Speicher.

Die neuen Experimente wurden in dünnen Filmen aus magnetischem Material durchgeführt, die Skyrmionen bei und oberhalb der Raumtemperatur stabilisieren – eine Eigenschaft, die für jede Anwendung erforderlich ist. Es zeigte sich auch, dass es derzeit noch immer Grenzen für die Geschwindigkeit eines Skyrmions gibt, die durch Deformationen verursacht werden und möglicherweise in antiferromagnetischen Materialien überwunden werden müssen.

„Dies ist ein großartiger Moment, da wir lange an der Fertigstellung dieser Studie gearbeitet haben und sie nun endlich abgeschlossen ist. Wir wissen jetzt, dass sich Skyrmionen milliardenfach reproduzierbar bewegen und zur gleichen Zeit bei hohen Temperaturen, typisch für das Innenleben eines Computers, kontrolliert werden können“, sagt Dr. Kai Litzius, Erstautor des Artikels.

„Damit können wir uns nun darauf konzentrieren, den Racetrack aus seinem experimentellen Zustand zu holen. Die Chancen stehen gut, dass Racetrack-Geräte der vorhandenen Speichertechnologie deutlich überlegen sind." Litzius hat die Arbeit an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, verbunden mit einem Forschungsaufenthalt am MIT, geleitet. Nach seiner Promotion zog er in die USA, um am MIT als Postdoktorand zu arbeiten.

Kooperation mit international führenden Partnern als Voraussetzung für Forschungserfolg

„Ich freue mich sehr, den nächsten Schritt zur Verwendung von Skyrmionen als magnetische Bits in neuartigen Geräten zu sehen. Die internationale Zusammenarbeit mit führenden Partneruniversitäten ist für eine solche Arbeit von entscheidender Bedeutung, und diese Art von Kooperationen und der Austausch von Studierenden sind ein Eckpfeiler unserer Graduiertenausbildungsprogramme.

Mit Fördermitteln des DAAD, des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 173 Spin + X und der Graduiertenkollegs MAINZ und MPGC fördern wir solche Kooperationen, die dann zum Sprungbrett für den nächsten Karriereschritt werden können“, erklärt Prof. Dr. Mathias Kläui, korrespondierender Autor der Arbeit.

Die Graduiertenschule MAINZ war 2007 durch die Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder bewilligt worden und erhielt 2012 in der zweiten Runde eine Verlängerung.

Ein Forschungsschwerpunkt lag auf der Spintronik, ein Gebiet, auf dem die Zusammenarbeit mit führenden internationalen Partnern eine wichtige Rolle spielt. 2019 schloss sich MAINZ mit dem Max Planck Graduate Center (MPGC) auf dem Campus der JGU zusammen.

Bildmaterial:
https://download.uni-mainz.de/presse/08_physik_komet_skyrmion_temperatur.jpg
Die magnetischen Skyrmionen wurden in einem Röntgenmikroskop an einer Probe mit einstellbarer Temperatur beobachtet.
Abb./©: Kai Litzius

Weiterführende Links:
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/ - Kläui-Laboratory
https://www.mpgc-mainz.de/ - Max Planck Graduate Center mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (MPGC)
https://www.mainz.uni-mainz.de/ - Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ)

Lesen Sie mehr:
https://www.uni-mainz.de/presse/aktuell/8323_DEU_HTML.php - Pressemitteilung „Rechnen mit dem Zufall: Skyrmionen finden Anwendung in neuartiger Computer-Technologie“ (24.04.2019)
https://www.uni-mainz.de/presse/77371.php – Pressemitteilung „Untersuchungen des Skyrmion-Hall-Effekts zeigen überraschende Ergebnisse“ (27.12.2016)
https://www.uni-mainz.de/presse/74601.php – Pressemitteilung „Internationalem Forscherteam gelingt kontrollierte Bewegung von Skyrmionen“ (02.03.2016)
https://www.uni-mainz.de/presse/63817.php – Pressemitteilung „Physiker beobachten Bewegung von winzigen Magnetisierungswirbeln“ (03.02.2015)

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Mathias Kläui
Physik der Kondensierten Materie
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-23633
E-Mail: klaeui@uni-mainz.de
https://www.klaeui-lab.physik.uni-mainz.de/homepage-prof-dr-mathias-klaeui/

Originalpublikation:

Kai Litzius et al.
The role of temperature and drive current in skyrmion dynamics
Nature Electronics, 24. Januar 2020
DOI: 10.1038/s41928-019-0359-2
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0359-2

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Electronics JGU Skyrmionen Spinstrukturen

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