BESSY II-Team vermisst das „Tanzmuster“ von Skyrmionen

Neue Möglichkeiten für eine energiesparende Datenverarbeitung

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.

Phys. Rev. Lett. (2019): Ferromagnetic Resonance with Magnetic Phase Selectivity by Means of Resonant Elastic X-Ray Scattering on a Chiral Magnet;S. Pöllath, A. Aqeel, A. Bauer, C. Luo, H. Ryll, F. Radu, C. Pfleiderer, G. Woltersdorf, and C. H. Back

DOI:  10.1103/PhysRevLett.123.167201

Kontakt:

Dr. Florin Radu
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
030 8062 12951
florin.radu(at)helmholtz-berlin.de