Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Glücksfall im Forschungsfeld Magnetismus

21.04.2020

Wissenschaftler entdecken zufällig neue Licht-Materie-Wechselwirkung, mit der sie Nanometer kleine magnetischen Strukturen schreiben können

Ein deutsch-chinesisches Forscherteam entdeckt einen neuen Effekt, mit dem es erstmals möglich ist, kleinste magnetische Strukturen, sogenannte Skyrmione, direkt mit einem Röntgenstrahl zu kreieren. Dadurch haben die Wissenschaftler die Möglichkeit eröffnet, mit höchster Präzision beliebige magnetische Muster zu schreiben.


Ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern schreibt zahlreiche Magnetwirbel, die zusammen en Begriff „MPI-IS“ ergeben.

Bildnachweis: Alejandro Posada und Felix Groß

Mithilfe weicher Röntgenstrahlen konnten deutsche Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart zusammen mit chinesischen Forschern unter anderem der Chinese Academy of Sciences erstmals einzelne Skyrmione in einer magnetischen Schicht kreieren.

In zahlreichen Experimenten zeigten sie, dass ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern einen Magnetwirbel von 100 Nanometern – der kleinsten möglichen Größe – hervorbringen kann. Zufall, denn bisher wusste kein einziger Wissenschaftler der Welt, dass es diese Interaktion zwischen Licht und Materie gibt.

Die Forschungsarbeit „Creating zero-field skyrmions in exchange-biased multilayers through X-ray illumination“ wurde im Februar im renommierten Fachjournal Nature Communications veröffentlicht. An ihr beteiligt sind das MPI-IS, die Chinese Academy of Sciences, das Songshan Lake Materials Laboratory in Guangdong, und die Lanzhou University.

„Wir wissen nicht, wie Licht Materie schreibt“, sagt Dr. Joachim Gräfe, Leiter der Forschungs¬gruppe Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik am MPI-IS. Er ist einer der Hauptautoren der Studie. „Wir können bestimmte Eigenschaften phänomenologisch beschreiben. Wir wissen, dass es mit dem Röntgenstrahl zu tun hat.

Es ist nicht nur ein Energieeintrag wie Wärme, der das Skyrmion schreibt. Es ist wirklich ein resonanter Effekt: wir können die Atome, die für den Magnetismus verantwortlich sind, direkt anregen.“ So konnten er und sein Team „MPI-IS“ schreiben, wie auf einem Bild zu sehen ist (siehe Abbildung).

Skyrmionen sind 100 Nanometer kleine dreidimensionale Strukturen, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie ähneln kleinen Spulen: atomare Ele¬mentarmagnete – sogenannte Spins –, die sich in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Skyrmionen sind topo¬logisch geschützt, d. h. in ihrer Form unveränderbar und gelten daher als energieeffiziente Datenspeicher.

Einen völlig neuen Effekt zu entdecken ist ein Glücksfall, von denen Wissenschaftler im Laufe ihrer Karriere nur wenige, vielleicht niemals einen erleben. „Das ist mit das spannendste Skyrmion-Projekt, das wir in den vergangenen Jahren umgesetzt haben“, so Gräfe weiter.

„Wir haben einen neuen Effekt entdeckt – völlig unerwartet und überraschend für uns.“ Dank der Forschungsarbeit könne nun praktisch jedermann mit einem Röntgenstrahl verschiedenste Skyrmionen-Anordnungen in magnetischen Schichten schreiben. Das werde mehrere völlig neue Forschungsfelder erschließen. Zielgenau magnetische Strukturen schreiben zu können, eröffne völlig neue Möglichkeiten.

Die Ergebnisse sind insbesondere für die Entwicklung und Herstellung soge¬nannter spintronischer Datenträger relevant, die Informatio¬nen in Skyrmionen speichern. Sie gelten als sehr energieeffizient und wenig störanfällig. Doch nur, wenn Skyrmione präzise und passgenau kreiert werden können – und das ist nun erstmals möglich geworden – kann diese Entwicklung ihren Lauf nehmen. „Unser Ziel ist es, dass Röntgenstrahlen in Zukunft als Werkzeug dienen, um die Anordnung magnetischer Strukturen zu bestimmen bzw. zu schreiben.“

Um Skyrmion sichtbar zu machen, nutzen die Forscher ein Rastertransmissions-Röntgenmikroskop: MAXYMUS, ein hochauflösendes Röntgenmikroskop, 1,8 Tonnen schwer, angesiedelt am BESSY II, einer 80 Meter breiten Synchrotronstrahlungsquelle des Helmholtz-Zentrums Berlin in Adlershof. MAXYMUS steht für „MAgnetic X-raY Micro- and UHV Spectroscope“. Das Mikroskop ist wie eine Kamera:

Es verfolgt in Zeitlupenfilmen, wie sich die Struktur in Materialien auf der Größe nur weniger Nanometer ändert. Das Besondere an diesem Rasterröntgenmikrospektroskop ist sein breites Anwendungsspektrum – etwas, das viele der weltweit führenden Forscherinnen und Forscher anzieht. Es gibt weit mehr Anträge, an Maxymus forschen zu wollen, als es die Kapazität hergibt. Das zeige, wie attraktiv die Arbeit mit dem Mikroskop sei, so Gräfe. Toll sei auch, dass mit Maxymus viele gemeinsame Projekte möglich gemacht werden.


Abbildung: Ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern schreibt zahlreiche Magnetwirbel, die zusammen en Begriff „MPI-IS“ ergeben. Bildnachweis: Alejandro Posada und Felix Groß

Pressekontakt:
Linda Behringer
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Stuttgart
T: +49 711 689 3552
M: +49 151 2300 1111
linda.behringer@is.mpg.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Joachim Gräfe
Research Group Leader
Department Modern Magnetic Systems
+49 711 689-1852
graefe@is.mpg.de

Originalpublikation:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-14769-0?utm_source=other&utm_medi...

Linda Behringer | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Weitere Informationen:
http://www.is.mpg.de/news/serendipity-in-the-research-field-of-magnetism

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Robuste Materialien in Schwingung versetzt
07.07.2020 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

nachricht Kosmischer Stoßverkehr in der Stern- und Planetenentstehung
07.07.2020 | Max-Planck-Institut für Astronomie

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: Neue Methode führt zehnmal schneller zum Corona-Testergebnis

Forschende der Universität Bielefeld stellen beschleunigtes Verfahren vor

Einen Test auf SARS-CoV-2 durchzuführen und auszuwerten dauert aktuell mehr als zwei Stunden – und so kann ein Labor pro Tag nur eine sehr begrenzte Zahl von...

Im Focus: Robuste Materialien in Schwingung versetzt

Kieler Physikteam beobachtet in Echtzeit extrem schnelle elektronische Änderungen in besonderer Materialklasse

In der Physik werden sie zurzeit intensiv erforscht, in der Elektronik könnten sie ganz neue Funktionen ermöglichen: Sogenannte topologische Materialien...

Im Focus: Excitation of robust materials

Kiel physics team observed extremely fast electronic changes in real time in a special material class

In physics, they are currently the subject of intensive research; in electronics, they could enable completely new functions. So-called topological materials...

Im Focus: Neues Verständnis der Defektbildung an Silizium-Elektroden

Theoretisch lässt sich das Speichervermögen von handelsüblichen Lithiumionen-Batterien noch vervielfachen – mit einer Elektrode, die auf Silizium anstatt auf Graphit basiert. Doch in der Praxis machen solche Akkus mit Silizium-Anoden nach wenigen Lade-Entlade-Zyklen schlapp. Ein internationales Team um Forscher des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung hat jetzt in einzigartiger Detailgenauigkeit beobachtet, wie sich die Defekte in der Anode ausbilden. Dabei entdeckten sie bislang unbekannte strukturelle Inhomogenitäten in der Grenzschicht zwischen Anode und Elektrolyt. Die Erkenntnisse sind in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ erschienen.

Silizium-basierte Anoden können in Lithium-Ionen-Akkus prinzipiell neunmal so viel Ladung speichern wie der üblicherweise verwendete Graphit, bei gleichem...

Im Focus: Ein neuer Weg zur superschnellen Bewegung von Flussschläuchen in Supraleitern entdeckt

Ein internationales Team von Wissenschaftern aus Österreich, Deutschland und der Ukraine hat ein neues supraleitendes System gefunden, in dem sich magnetische Flussquanten mit Geschwindigkeiten von 10-15 km/s bewegen können. Dies erschließt Untersuchungen der reichen Physik nichtlinearer kollektiver Systeme und macht einen Nb-C-Supraleiter zu einem idealen Materialkandidaten für Einzelphotonen-Detektoren. Die Ergebnisse sind in Nature Communications veröffentlicht.

Supraleitung ist ein physikalisches Phänomen, das bei niedrigen Temperaturen in vielen Materialien auftritt und das sich durch einen verschwindenden...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz QuApps zeigt Status Quo der Quantentechnologie

02.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Social Learning in der Firma und virtuelle Seminarräume für Mitarbeiter

07.07.2020 | Seminare Workshops

„Maschinen-EKG“ soll Umwelt schonen

07.07.2020 | Maschinenbau

Erneuter Weltrekord für speedCIGS

07.07.2020 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics