Magnetische Skyrmionen sind lokalisierte, stabile topologische magnetische Spin-Texturen, die einem tornadoartigen Wirbel in einem magnetischen Material ?hneln. Sie k?nnen sehr klein sein, mit Durchmessern im Nanometerbereich, und verhalten sich wie Teilchen, die bewegt, erzeugt und vernichtet werden k?nnen, was sie für "Abakus"-?hnliche Anwendungen in der Informationsspeicherung und in logischen Ger?ten geeignet macht.

In ihrem kürzlich im renommierten Fachjournal Nature Physics ver?ffentlichten Artikel mit dem Titel "Dipolar skyrmions and antiskyrmions of arbitrary topological charge at room temperature" hat eine Forschergruppe der Universit?t Augsburg unter der Leitung von Prof. Manfred Albrecht gezeigt, dass diese Spin-Objekten nur in einem bestimmten Phasengebiet im Stabilit?tsdiagramm zu finden sind, in der der Qualit?tsfaktor Q einen Wert von etwa 1 hat, der durch das Verh?ltnis zwischen der uniaxialen magnetischen Anisotropie und der magnetischen Formanisotropie gegeben ist. Dank umfangreicher Simulationen, die von Sabri Koraltan und Kollegen aus der Simulationsgruppe der Universit?t Wien unter der Leitung von Prof. Dieter Suess und mit Unterstützung von Dr. Nikolai Kiselev vom Forschungszentrum Jülich durchgeführt wurden, konnten die Forscher auch die genauen Gründe für das Auftreten von Spin-Objekten im Stabilit?tsdiagramm, den zugrundeliegenden Entstehungsprozess sowie die notwendigen Materialeigenschaften identifizieren, die nun auch auf andere Materialsysteme übertragen werden k?nnen.

Die Entdeckung dieser neuartigen Spin-Objekte mit beliebiger topologischer Ladung verspricht Fortschritte in der Grundlagen- sowie der angewandten Forschung. Sie k?nnte insbesondere bei der Weiterentwicklung von Informations-Speichertechnik Anwendung finden.

"Gro?artiger wissenschaftlicher Fortschritt auf dem Gebiet der Skyrmionen und topologischen Spin-Texturen"

"Wir sind begeistert von den spannenden Erkenntnissen, die wir durch die Entdeckung dieser Spin-Objekte gewonnen haben, die einfach bei Raumtemperatur hergestellt werden k?nnen. Dies ist ein gro?artiger wissenschaftlicher Fortschritt auf dem Gebiet der Skyrmionen und topologischen Spin-Texturen", sagt Albrecht. Diese nanoskaligen Spin-Objekte bieten zus?tzliche Freiheitsgrade und k?nnen in Dünnschicht-Bauelemente eingebettet werden, die verschiedene Anwendungen erm?glichen, von unkonventionellen Computern bis hin zu neuen Speicherkonzepten.

Ein weiterer sehr wesentlicher Aspekt von Spin-Objekten ist, dass ein spinpolarisierter Strom ihre Bewegung induziert. Wenn ein Ladungsstrom durch ein leitendes magnetisches Material flie?t, übt der polarisierte Elektronenspin ein Drehmoment auf die Magnetisierung aus, das als Spin-Transfer-Drehmoment bezeichnet wird. Dieses Drehmoment kann die Skyrmionen h?herer Ordnung in Bewegung versetzen. "Mit Hilfe von mikromagnetischen Simulationen konnten wir die effiziente Kontrolle der Bewegung dieser au?ergew?hnlichen Spin-Objekte demonstrieren, was weitere M?glichkeiten für Skyrmionen-Bauelemente er?ffnet", sagt Koraltan, Doktorand der Simulationsgruppe an der Universit?t Wien.

In der Studie wurde die Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie an der Universit?t Augsburg intensiv genutzt und wird derzeit erweitert, um die strominduzierte Bewegung dieser Spin-Objekte sichtbar zu machen. "Inwieweit sich unsere Vorhersagen über ihre Bewegungseigenschaften experimentell best?tigen lassen, wird in naher Zukunft sehr spannend zu erforschen sein", erkl?rt Mariam Hassan, Postdoktorandin an der Universit?t Augsburg.

Original-Ver?ffentlichung:

M. Hassan, S. Koraltan, A. Ullrich, F. Bruckner, R.O. Serha, K.V. Levchenko, G. Varvaro, N.S. Kiselev, M. Heigl, C. Abert, D. Suess, and M. Albrecht: “Dipolar skyrmions and antiskyrmions of arbitrary topological charge at room temperature”, Nature Physics (2024).

DOI: 10.1038/s41567-023-02358-z

URL: https://www.nature.com/articles/s41567-023-02358-z