„Tanzmuster“ von Skyrmionen vermessen
Die Illustration zeigt Sykrmionen in einer ihrer Eigenschwingungen. Hier drehen sie im Uhrzeigersinn. © Yotta Kippe/HZB
In bestimmten magnetischen Materialien wie Cu2OSeO3 entstehen magnetische Wirbel, so genannte Skyrmionen. Diese Skyrmionen lassen sich durch niedrige elektrische Ströme kontrollieren, was eine energiesparende Datenverarbeitung ermöglichen könnte. Nun ist es einem Team gelungen, an der VEKMAG-Station an BESSY II eine neue Technik zu entwickeln, um diese Wirbel präzise zu vermessen und dabei die drei unterschiedlichen Eigenschwingungen zu beobachten. Cu2OSeO3 ist ein Material mit besonderen magnetischen Eigenschaften. So bilden sich in einem bestimmten Temperaturbereich bei einem kleinen äußeren Magnetfeld so genannte Skyrmionen: magnetische Spinwirbel. Aktuell sind dafür moderat tiefe Temperaturen um die 60 Kelvin (-213 Grad Celsius) erforderlich, es scheint aber möglich zu sein, diesen Temperaturbereich auch in die Raumtemperatur zu verschieben. Das Spannende an Skyrmionen ist, dass sie sich sehr leicht bewegen und kontrollieren lassen und damit neue Möglichkeiten für eine energiesparende Datenverarbeitung bieten.
Drei Eigenschwingungen erwartet
Theoretische
Arbeiten hatten vorausgesagt, dass es möglich sein sollte, mit einem
elektrischen Hochfrequenzfeld Skyrmionen in der Probe gemeinsam und
synchron anzuregen: so könnten sich die Skyrmionen entweder alle
gemeinsam im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen oder aber „atmen“,
indem sie sich ausdehnen und wieder zusammenziehen.
Kombination von Methoden
Nun ist es einem Team gelungen, in einer einkristallinen Probe von Cu2OSeO3
erstmals die Dynamik dieser Skyrmionen im Detail zu vermessen.
„Konventionelle Methoden wie die ferromagnetische Resonanztechnik können
die Ablenkung der Spins in der Skyrmionen-Phase nicht erfassen und
eignen sich daher nicht, um diese selektiven Anregungen zu beobachten.
Daher mussten wir uns etwas einfallen lassen“, erklärt Prof. Dr.
Christian Back, Technische Universität München.
Nachweis an der VEKMAG-Station an BESSY II
An
BESSY II gelang es dem Team, eine spinauflösende Methode mit einem
äußeren Mikrowellenfeld zu kombinieren: „So konnten wir die Spins und
ihre Ausrichtung präzise kartieren, und zwar für jede Sorte von Spins,
die in der Probe vorhanden ist“, erläutert der HZB-Physiker Dr. Florin
Radu, der gemeinsam mit Kooperationspartnern aus den Universitäten
Regensburg, der Ruhr Universität Bochum sowie der Freien Universität
Berlin die VEKMAG-Station aufgebaut hat. Aufbau und Fortentwicklung der
VEKMAG-Station werden durch das BMBF und das HZB gefördert.
Durch
ferromagnetische Resonanzexperimente an einem so genannten Bragg-Peak
zeigte die Forschergruppe damit erstmals experimentell, dass sich alle
drei Eigenschwingungen in Cu2OSeO3 ausbilden: Sie
beobachteten magnetische Wirbel in drei unterschiedlichen, synchronen
Bewegungsmustern, die sich mit dem Uhrzeigersinn oder gegen den
Uhrzeigersinn drehen oder sich „atmend“ ausdehnen und zusammenziehen.
Kontrolle durch Mikrowellen
Jedes
Bewegungsmuster wird bei einer bestimmten Frequenz des
Mikrowellenfeldes erreicht, die vom äußeren Magnetfeld sowie von
intrinsischen Parametern der Probe abhängt. Mit Hilfe des
Mikrowellenfeldes sind somit Übergänge von einer Eigenschwingung in eine
andere möglich. "Das ist ein erster Schritt zur Kontrolle von
Skyrmionen", sagt Radu.