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Dreidimensionale Struktur von Skyrmionen erstmals sichtbar

05.03.2019

Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Skyrmionen sind dreidimensionale Strukturen, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie sind wenige Nanometer kleine Magnetwirbel, in denen sich atomare Elementarmagnete (Spins) in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Skyrmionen sind topologisch geschützt, d. h. in ihrer Form unveränderbar. In den 50er Jahren vom Mathematiker Tony Skyrme beschrieben, war es bis heute nicht möglich ihre weniger als hundert Nanometer kleine dreidimensionale Struktur sichtbar zu machen.

Ein internationales Forscherteam hat es nun geschafft. Die Wissenschaftler forschen am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart, an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking, am Songshan Lake Materials Laboratory in Guangdong, an der Universität Oxford in Großbritannien, der Universität von Messina sowie am Polytechnic in Bari in Italien. Zusammen konnten sie die dreidimensionale Struktur von Skyrmionen erstmals abbilden. Am 8. Februar 2019 wurde das Gemeinschaftsprojekt mit dem Titel „Anatomy of Skyrmionic Textures in Magnetic Multilayers“ im renommierten Fachjournal Advanced Materials publiziert.

„Bis heute hatte niemand die Möglichkeit, die dreidimensionale Struktur der Skyrmionen zu sehen“, sagt Professor Gisela Schütz, Direktorin am Max-Planck-Institut für Intelligente Sys-teme (MPI-IS) in Stuttgart. Sie leitet dort die Abteilung für Moderne Magnetische Systeme. „Wir sind die ersten, die ein hochauflösendes, dreidimensionales Bild dieser Struktur erhalten konnten.“ Weil ein Skyrmion kleiner als 100 Nanometer ist, nutzen die Forscher bei der Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie unter anderem eine Methode namens Ptychographie. „Mit ihr haben wir die allerbeste Auflösung für Röntgenlicht und sind dabei noch hochempfindlich auf magnetische Details. Nur so konnten wir auch die inneren magnetischen Strukturen sehen“, erklärt Schütz.

Die Forscher setzten MAXYMUS ein, ein hochauflösendes Röntgenmikroskop angesiedelt am BESSY II, einer 80 Meter breiten Synchrotronstrahlungsquelle des Helmholtz-Zentrums Berlin in Adlershof. Sie erzeugt extrem brillantes Röntgenlicht. Im Anschluss folgte eine Messung von BESSYs britischem Pendant Diamond in Oxfordshire am RASOR-Strahlplatz. Dabei hat das Forscherteam entdeckt, dass die dreidimensionale Struktur des Skyrmions komplizierter ist als angenommen.

„Wir haben herausgefunden, dass vier magnetische Wechselwirkungen zusammenspielen und zur Ausbildung der 3D-Struktur führen. Allerdings ist die einfache Dipolkopplung maßgebend entgegen bisherigen Erwartungen“, erklärt Dr. Joachim Gräfe, Leiter der Forschungsgruppe Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik am MPI-IS. „Die Entschlüsselung der tatsächlichen Geometrie war die Voraussetzung zum Verständnis und damit zur Manipula-tion der derzeit weltweit erforschten Skyrmionen.“

Die Ergebnisse könnten insbesondere für die Entwicklung und später auch Herstellung sogenannter spintronischer Bauteile wichtig werden. Magnetische Datenträger, die Informationen in Skyrmionen speichern, wären topologisch stabilisiert und daher wenig störanfällig. „Um Skyrmionen in Datenspeichern einzusetzen, muss man natürlich die Struktur genau kennen und verstehen“, so Gräfe. „Mit unserer Publikation haben wir die Grundlagenforschung in diesem Bereich einen Schritt weitergebracht.“

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