Kontrollierte Bewegung von Skyrmionen

  • 02. March 2016

Grundlagen für die Nutzung von magnetischen Wirbeln als Daten­speicher der Zukunft gelegt.

Ein Durchbruch in der Grundlagenforschung für mögliche Datenspeicher-Technologien der Zukunft ist einem gemeinsamen Team der Uni Mainz und des Massachusetts Institute of Technology gelungen. Die grundlegende Idee dabei ist, elektronische Speichereinheiten nicht wie bisher auf rotierenden Festplatten zu speichern, sondern als magnetische Wirbelstrukturen auf einem Nanodraht abzulegen. Die magnetischen Skyrmion-Bits könnten damit schnelle Zugriffszeiten, hohe Speicherdichten und eine gesteigerte Energie­effizienz erreichen. Den Forschern gelang es jetzt erstmals, einzelne Skyrmionen bei Raumtemperatur gezielt durch Strompulse zu verschieben.

Skyrmionen

Abb.: Die magnetische Struktur eines Skyrmions ist symmetrisch um dessen Kern, Pfeile zeigen die Richtung der Spins an. (Bild: B. Krüger, U. Mainz)

Magnetische Skyrmionen sind spezielle Spinstrukturen, die in Materialien und insbesondere in dünnen Schichten auftreten können, wenn deren Inver­sions­sym­me­trie gebrochen ist. In den hier betrachteten Systemen wird dafür ein dünner Metallfilm verwendet, dessen Schichtenaufbau nicht symmetrisch ist. In diesem Fall können sich stabile Spinstrukturen bilden. Eine wichtige Eigenschaft der Skyrmionen ist, dass sie isoliert in magnetischen Materialien existieren können und generell ungern mit dem Rand einer Struktur kol­li­dieren. Das verleiht ihnen die einzigartige Fähigkeit, isolierte Defekte im Material oder Eckenrauigkeit zu umgehen, während andere magnetische Strukturen wie Domänenwände damit kolli­dieren würden. Skyrmionen sind damit exzellente Kandidaten für das magnetische Schieberegister, den Racetrack-Speicher: Informationen könnten in Skyrmionen kodiert und diese dann mit Strom an festen Lese- und Schreibköpfen vorbeibewegt werden. Das Prinzip wäre sowohl schnell als auch völlig unabhängig von beweglichen mechanischen Teilen und damit für mobile Anwendungen ideal geeignet.

Dem Team gelang es zu zeigen, dass individuelle Skyrmionen bei Raum­tem­pe­ratur tatsächlich in einem magnetischen Draht, einem Racetrack, kon­trol­liert durch kurze Strompulse bewegt werden können. Des Weiteren wurden neue Methoden zur Beschreibung ihrer Dynamik etabliert und experimentell bestätigt. Die Arbeit kann damit als Grundstein für die Ver­wen­dung von Skyrmionen in anwendungsrelevanten Systemen ange­sehen werden.

JGU / RK

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