Mit Röntgenlicht lassen sich Skyrmione schreiben

Ein Forscherteam entdeckte zufällig einen neuen Effekt, mit dem es möglich ist, kleinste magnetische Strukturen, sogenannte Skyrmione, direkt mit einem Röntgenstrahl zu kreieren. Ein Meilenstein auf dem Weg zu neuen Datenspeichern?

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Wenn Forscher in den Nanokosmos vordringen, müssen sie mit Überraschungen rechnen: "Im Bereich des Nanomagnetismus erregen seit Kurzem neue spannende Phänomene und technologische Konzepte Aufsehen, die mit der erforderlichen Schnelligkeit und räumlichen Schärfe nur im Maxymus ‚beleuchtet‘ werden können", schreibt Gisela Schütz, Direktorin am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in "Vielfältige Physik". Maxymus, das ist ein hochauflösendes Röntgenmikroskop an der Synchrotronstrahlenquelle Bessy II in Berlin-Adlershof. Das Mikroskop ist wie eine Kamera: Es verfolgt in Zeitlupenfilmen, wie sich die Struktur in Materialien auf der Größe nur weniger Nanometer ändert.

"Spektakulär", schreibt Schütz, "ist die Beobachtung der Entstehung und Manipulation von Skyrmionen, sogenannte magnetische Wirbel, die sich wie Teilchen endlicher Masse verhalten und im Prinzip, wie theoretisch vorausgesagt, mit minimalen Strömen gesteuert werden können" (Seite 181). Physiker weltweit sind von Skyrmionen fasziniert – und sie sind auf der Jagd. So auch Martin Stier und Michael Thorwart von der Universität Hamburg, die in "Atomic- and Nanoscale Magnetism" über ihre Arbeit zur Nichtgleichgewichts-Quantendynamik von stromgetriebenen magnetischen Domänenwänden und Skyrmionen berichten. Ein praktisches Ziel der Jagd ist es, Skyrmionen zur Datenspeicherung zu nutzen.

Bei Skyrmionen handelt es sich um dreidimensionale Strukturen im Nanometerbereich, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie ähneln kleinen Spulen: atomare Elementarmagnete – sogenannte Spins –, die sich in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Aktuell macht ein deutsch-chinesisches Skyrmionen-Forscherteam vom MPI-IS mit der Entdeckung eines neuen Effekts von sich reden, der eine bislang unbekannte Licht-Materie-Wechselwirkung offenbart. Mithilfe weicher Röntgenstrahlen konnten die Wissenschaftler erstmals einzelne Skyrmione in einer magnetischen Schicht kreieren. In zahlreichen Experimenten stellte sich heraus, dass ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern einen Magnetwirbel von 100 Nanometern – der kleinsten möglichen Größe – hervorbringen kann. Reiner Zufall, sei die Entdeckung gewesen. Über ihre Arbeit berichten sie in Nature Communications.

Skyrmionen als Datenspeicher

"Wir wissen nicht, wie Licht Materie schreibt", sagt Joachim Gräfe, Leiter der Forschungsgruppe 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." Dank dieser Entdeckung könne nun praktisch jedermann mit einem Röntgenstrahl verschiedenste Skyrmionen-Anordnungen in magnetischen Schichten präzise und passgenau kreieren, sagt Gräfe. Entwicklung und Herstellung spintronischer Datenträger, die Informationen in Skyrmionen speichern, rücken damit in greifbare Nähe.

Mit der so genannten Spinelektronik (kurz Spintronik) entsteht eine neue Generation von Halbleiterbauelementen, die auf der Wechselwirkung des Spins (Eigendrehimpuls des Elektrons) der Ladungsträger mit den magnetischen Eigenschaften des Festkörpers beruhen.“ Leonhard Stiny, „Aktive elektronische Bauelemente“, Seite 603.

Skyrmionen haben die Gestalt von Röhren 

Bei der Gestalt von Skyrmionen schloss man bislang aus dem 2D-Abbild auf die dritte Dimension und vermutete, dass die kleinen Strukturen kugelförmig seien. In einer ebenfalls internationalen Kooperation gelang es den MPI-IS-Wissenschaftlern vor Kurzem, die bislang unbekannte Struktur von magnetischen Skyrmionen in 3D zu enthüllen. "Tatsächlich haben wir eine Skyrmion-Röhre entdeckt", berichtet Joachim Gräfe. Auch bei diesem Projekt, über das die Forscher ebenfalls in Nature Communications berichten, half das hochauflösende Röntgenmikroskop Maxymus, das Verborgene sichtbar zu machen. 

Skyrmionen gelten als topologisch geschützt, sind also in ihrer Form unveränderbar und stellen deshalb stabile Datenspeicher dar, so die Wissenschaftler. "Jetzt da wir ihre Struktur kennen, wollten wir wissen, wie sich diese Stabilität überwinden lässt", sagt Gräfe. Das sei notwendig, um datenspeichernde Skyrmionen nicht nur erzeugen, sondern auch vernichten zu können. Die jetzt bekannte Röhrenstruktur biete hier einen Ansatzpunkt, ist Gräfe überzeugt: Wird die Röhre so weit verengt, dass sie nur noch einen Punkt dünn ist, dem sogenannten Bloch-Punkt, bricht das Skyrmion auseinander.

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