Gitter aus magnetischen Wirbeln

  • 01. August 2011

Forscher finden quadratisches Skyrmionengitter in atomar dünnem Metallfilm.

Physiker der Universitäten in Hamburg und Kiel und des Forschungszentrums Jülich haben erstmals ein regelmäßiges Gitter aus magnetischen Skyrmionen – wirbelförmigen Spinstrukturen von außergewöhnlicher Stabilität – auf einer Oberfläche gefunden. Diese faszinierende magnetische Struktur wurde an der Universität Hamburg mithilfe der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie experimentell entdeckt und auf der atomaren Skala sichtbar gemacht. Theoretiker der Universität Kiel und des Forschungszentrums Jülich konnten diesen magnetischen Zustand und seine mikroskopische Ursache mit Hilfe von quantenmechanischen Rechnungen auf Supercomputern erklären. Die Wissenschaftler entdeckten die magnetischen Wirbel, die jeweils aus ungefähr 15 Atomen bestehen, in einer atomaren Schicht Eisen auf der Oberfläche eines Iridiumkristalls.

Die winzigen Wirbel aus nur je etwa 15 Atomen bilden ein regelmäßiges nahezu quadratisches Gitter

Abb.: Die winzigen Wirbel aus nur je etwa 15 Atomen bilden ein regelmäßiges nahezu quadratisches Gitter. Die Grafik zeigt im rechten Bereich die magnetische Messung mithilfe spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie als Graustufenbild. Das herausgeschnittene Quadrat markiert ein einzelnes Skyrmion. Die farbigen Kegel zeigen die Orientierung der magnetischen Ausrichtung der einzelnen hexagonal angeordneten Eisenatome des Metallfilms an. (Bild: U. Hamburg)

Skyrmionen in magnetischen Materialien wurden bereits vor 20 Jahren vorhergesagt und in Volumenmaterialien auch schon experimentell bestätigt. Das in Hamburg entdeckte magnetische Skyrmionengitter tritt in einem atomar dünnen Film auf einer Oberfläche auf. Der Durchmesser der Wirbel beträgt nur wenige Atome und ist damit um mindestens eine Größenordnung kleiner als die bisher bekannten magnetischen Skyrmionen. Es ist zwar bekannt, dass Eisen unter Umständen auch ungewöhnliche magnetische Strukturen bilden kann, aberdie nahezu quadratische magnetische Struktur im Nanometer-Bereich, die sich eigentlich nicht mit der hexagonalen Anordnung der Eisenatome verträgt, überraschte die Forschungsgruppe.

Um diese neuartige Spinstruktur und den außergewöhnlichen Symmetriebruch zwischen magnetischer und atomarer Ordnung zu verstehen, mussten die Theoretiker ein Modell für die Spinanordnung entwickeln und aufwendige quantenmechanische Rechnungen auf Supercomputern in Jülich durchführen. Diese brachten aber schließlich die Gewissheit, dass es sich tatsächlich um stabile magnetische Skyrmionen auf einer Metalloberfläche handelt.

Die Ursache für das Auftreten dieser komplexen Struktur ist ein Zusammenspiel verschiedener magnetischer Wechselwirkungen. Während die Rotation von atomaren Spins mit einem bestimmten Drehsinn durch die antisymmetrische Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung verursacht wird, kann erst die sogenannte 4-Spin-Wechselwirkung unter Beteiligung von vier magnetischen Atomen die hier gefundenen Skyrmionen erzeugen.

Für zukünftige Anwendungen zum Beispiel im Bereich der Spintronik eröffnen die gefundenen magnetischen Skyrmionen neue Möglichkeiten, werfen gleichzeitig aber auch neue Fragen auf: Wie wirkt elektrischer Strom auf die Skyrmionen und lassen sich die magnetischen Wirbel vielleicht sogar gezielt bewegen?

SFB 668 / U. Hamburg / OD

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