Skyrmionen in 3D

Ein Dresdner Forschungsteam um den Festkörper­physiker Axel Lubk hat es geschafft, das Magnetfeld winziger magnetischer Nanowirbel – Skyrmionen – mit einer sieben Nanometer genauen Auflösung dreidimensional abzubilden. Das ist zum ersten Mal überhaupt gelungen. Für ihre Pionierleistung wurden die Wissenschaftler jetzt von der Europäischen Gesellschaft für Mikroskopie (EMS) mit dem Outstanding Paper Award 2021 für Material­wissenschaft ausgezeichnet.

Projektleiter Lubk ist Mitglied des Würzburg-Dresdner Exzellenzclusters ct.qmat – Komplexität und Topologie in Quanten­materialien. Er übernimmt ab August die CEOS-Stiftungs­professur für Elektronen­optik, eine gemeinsame Berufung der Technischen Universität (TU) Dresden und des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werk­stoff­forschung (IFW) Dresden.

Das revolutionär Neue an dem Forschungserfolg aus Dresden: Bisher gab es lediglich zweidimensionale Abbildungen von Skyrmionen, entweder auf der Materialoberfläche oder als Projektion. Damit ging allerdings die Tiefenauflösung komplett verloren und es war daher beispielsweise nicht unterscheidbar, was sich vorn und was sich hinten befindet. Die nun möglich gewordene räumliche Darstellung ist ein Meilenstein auf dem Gebiet des Nanomagnetismus und der „Spintronik“, bei der die Skyrmionen künftig die Bits und Bytes als Einheiten für die Daten­speicherung ersetzen könnten.

Dabei konnte das zugrunde­liegende Experiment des Dresdner Forschungsteams im Februar 2020 nur noch mit viel Glück am Ernst-Ruska-Zentrum in Jülich durchgeführt werden. Denn unmittelbar danach wurde das Forschungszentrum aufgrund der Corona-Pandemie lange Zeit für externe Experimente gesperrt. „Als wir die gewonnenen Daten anschließend in Dresden ausgewertet haben, war unsere Freude riesengroß. Wir haben es tatsächlich geschafft, das Magnetfeld dieser Wirbel dreidimensional sichtbar zu machen. Heute bekommen wir dazu Anfragen aus der ganzen Welt“, berichtet Lubk, der gegenwärtig Gruppenleiter am IFW ist.

Bisher werden Informationen hauptsächlich halbleiter­basiert, das heißt über einen Fluss von Elektronen gespeichert und verarbeitet. Doch die elektronischen Systeme sind in ihrer Leistung begrenzt. Die Suche nach Alternativen beschäftigt Forschung und Industrie weltweit, die optische sowie auch die Spintronik genannte magnetische Informations­verarbeitung rücken zunehmend in den Fokus. Grund für den Forschungs­hype um die magnetischen Wirbel, die Skyrmionen: Mit ihrer Hilfe könnten Daten künftig äußerst energie­effizient und platzsparender transportiert werden. Die winzigen, zehn bis 100 Nanometern kleinen Skyrmionen gehören zu den topologischen Quanten­phänomenen, die im Exzellenz­cluster ct.qmat erforscht werden. Sie sind äußerst stabil und lassen sich leicht manipulieren.

„Bislang hatte die Fachwelt ausschließlich ein zweidimensionales Bild der Skyrmionen, die viel Potenzial für die neuartige Speicherung und Verarbeitung großer Informations­mengen bieten. Die dreidimensionale Abbildung ist ein echter Meilenstein für die Festkörperphysik. Erstmals konnten wir sehen, wie verbogen diese Wirbelstürme sind und wie sie sich gegenseitig beeinflussen“, kommentiert Matthias Vojta, Dresdner Sprecher des Exzellenz­clusters ct.qmat.

Im Jahr 2006 wurden die magnetischen Skyrmionen theoretisch vorhergesagt. 2009 konnten sie erstmalig indirekt experimentell nachgewiesen werden. 2010 gelang die erste direkte zweidimensionale Abbildung. Dem Forschungsteam um Lubk ist es nun zum ersten Mal geglückt, alle drei Dimensionen des Magnetfelds von Skyrmionen mit einer Auflösung von wenigen Nanometern abzubilden. Hierfür hat das Team Eisen­germanium (FeGe) mittels tomografischer Methoden im Trans­missions­elektronen­mikroskop untersucht.

„Die größte Herausforderung in unserem Forschungsprojekt war das experimentelle Setting. Fünf Monate lang haben wir eine Halterung für die Probe entwickelt, damit sie sich 360 Grad mitdrehen kann. Am Ende konnten wir nur durch die Kombination verschiedener technischer Methoden und Weiter­entwicklungen sehen, dass die Nanowirbel eigentlich Schläuche sind“, so Lubk. „Die Skyrmionen­schläuche bewegen sich wie Wirbelstürme im Material, und wenn ihnen ein anderer Wirbelsturm zu nah kommt, verändern sie sich.“ Nun erhielt das Autorenteam für die dreidimensionale Abbildung der magnetischen Struktur der Skyrmionen­schläuche, die Identifizierung ihrer strukturellen Details und die Messung ihrer Energiedichte den Outstanding Paper Award 2021 für Material­wissenschaft der EMS.

An der Forschungsleistung waren Dresdner Forscher des Exzellenzclusters ct.qmat, des IFW Dresden, der TU Dresden und des Max-Planck-Instituts für chemische Physik komplexer Systeme beteiligt. Das Experiment wurde von Daniel Wolf (IFW) am Forschungs­zentrum Jülich durchgeführt. Die spezielle Halterung der Probe, welche die tomografischen Aufnahmen erst ermöglichte, wurde von Sebastian Schneider (TU Dresden) entwickelt.

Nach der dreidimensionalen Abbildung und Charakterisierung von Skyrmionen­schläuchen konzentriert sich das Dresdner Forschungs­team auf die Analyse weiterer 3D-nanomagnetischer Phänomene und die Suche nach Materialien, in denen die magnetischen Wirbelstürme bei Raumtemperatur und ohne externes Magnetfeld entstehen. Zeitgleich arbeiten die Forscher an der Weiterentwicklung des experimentellen Aufbaus, um die Methode der weltweiten Wissenschafts­community zugänglich zu machen.

TU Dresden / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  D. Wolf et al.: Unveiling the three-dimensional magnetic texture of Skyrmion tubes, Nat. Nanotechnol. 17, 250 (2022); DOI: 10.1038/s41565-021-01031-x
• Advanced Methods of Electron Microscopy (A. Lubk), Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden
• Outstanding Paper Award, European Microscopy Society