Skyrmionen lesen leichtgemacht

  • 05. October 2015

Elektrische Widerstandsänderung durch magne­tische Wir­bel­struk­tu­ren ent­deckt.

Stabile Wirbel in magnetischen Materialien wurden bereits vor über 25 Jahren vorher­gesagt aber erst vor wenigen Jahren experi­men­tell nach­gewiesen. Die Ent­deckung solcher Skyr­mionen in dünnen magnetischen Schichten und Multi­lagen, die heutzutage in vielen tech­nologischen An­wendungen bereits genutzt werden, und die Möglich­keit, diese Skyr­mionen bereits mit geringen elek­trischen Strom­dichten zu bewegen, hat die Perspektive eröffnet, sie als Bits in neu­artigen Daten­speichern zu verwenden.

Abb.: Magnetische Wirbel mit einem Durch­messer von nur wenigen Nano­metern treten in einem dünnen Film aus Palladium und Eisen auf (unten, Kegel repräsentieren einzelne Atome der Oberfläche und ihre Spitzen zeigen in die Richtung der atomaren Stab­magnete). Der Widerstand, gemessen mit einer metall­ischen Sonde direkt oberhalb der Ober­fläche, ändert sich im Skyr­mion verg­lichen mit der Umgebung (oben, experimentelle Daten entlang einer Schnitt­linie durch ein Skyrmion). Die Widerstands­änderung erfolgt konti­nuierlich, und hat den größten Wert, wenn die Ver­kipp­ung zwischen benachbarten atomaren Stab­magneten am stärksten ist, in diesem Fall im Zentrum des Skyrmions. (Bild: U. Hamburg)

Abb.: Magnetische Wirbel mit einem Durch­messer von nur wenigen Nano­metern treten in einem dünnen Film aus Palladium und Eisen auf (unten, Kegel repräsentieren einzelne Atome der Oberfläche und ihre Spitzen zeigen in die Richtung der atomaren Stab­magnete). Der Widerstand, gemessen mit einer metall­ischen Sonde direkt oberhalb der Ober­fläche, ändert sich im Skyr­mion verg­lichen mit der Umgebung (oben, experimentelle Daten entlang einer Schnitt­linie durch ein Skyrmion). Die Widerstands­änderung erfolgt konti­nuierlich, und hat den größten Wert, wenn die Ver­kipp­ung zwischen benachbarten atomaren Stab­magneten am stärksten ist, in diesem Fall im Zentrum des Skyrmions. (Bild: U. Hamburg)

Bislang wurden einzelne magnet­ische Wirbel entweder durch Elek­tronen-Mikro­skopie oder durch Messung der Wider­stands­änderung in einem Tunnel­kontakt mit einer magnet­ischen Sonde nach­gewiesen. Wissen­schaftler der Universität Hamburg demonstrierten nun mit Hilfe eines Raster­tunnel­mikroskops, dass sich der Wider­stand auch dann ändert, wenn man bei der Messung ein nicht-magnetisches Metall verwendet. „In unserem Experiment können wir eine metallische Spitze mit atomarer Präzision über eine Ober­fläche bewegen, und so den Wider­stand eines Skyr­mions an unter­schied­lichen Positionen vermessen“, so Christian Hanneken aus der Arbeits­gruppe von Roland Wiesen­danger. Dadurch wird die orts­abhängige Wider­stands­änderung im magne­tischen Wirbel nach­gewiesen. „Die beobachtete Wider­stands­änderung kann bis zu hundert Prozent betragen und erlaubt damit eine einfache Detektion von Skyr­mionen“, wie Kirsten von Berg­mann erläutert.

Zusammen mit theoret­ischen Physikern der Universität Kiel können die Forscher erklären, wie die Widerstands­änderung im magnetischen Wirbel aufgrund der Ver­kippung der atomaren Stab­magnete von einem Atom zum nächsten zustande kommt. Je größer der Winkel zwischen den be­nach­barten Stab­magneten ist, desto stärker ändert sich der elek­trische Wider­stand. „Elektronen besitzen einen Spin, wodurch sie mit der magnet­ischen Struktur wechsel­wirken“, so Stefan Heinze von der Uni Kiel. Wenn die Elektronen sich durch den magnetischen Wirbel bewegen, spüren sie die Verkipp­ung zwischen den atomaren Stab­magneten, wodurch sich der Wider­stand des Materials lokal ändert. Diesen Effekt konnten die Physiker mittels aufwendiger numerischer Computer­simula­tionen der elektron­ischen Eigen­schaften verstehen und ein einfaches Modell für die Widerstands­änderung entwickeln.

In zukünftigen Anwend­ungen könnte dieser neu entdeckte Effekt genutzt werden, um die Skyr­mionen­bits auf ein­fache Weise auszulesen. Die Möglich­keit, beliebige metallische Elektroden verwenden zu können, erleichtert dabei die Her­stellung und den Betrieb der neuartigen Speicher­elemente erheblich.

UHH / SK

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