RIKEN-Forscher haben auf Spintronik basierende Niedrigenergiegeräte einen Schritt näher gebracht, indem sie die Dynamik winziger magnetischer Wirbel gemessen haben.
Derzeit basieren alle unsere Informationstechnologien auf konventioneller Elektronik, bei der elektrische Ladung um Schaltkreise herumgeleitet wird. Elektronen verfügen jedoch über eine weitere Eigenschaft, die als Spin bekannt ist und die genutzt werden könnte, um schnellere und effizientere Geräte herzustellen.
Hazuki Kawano-Furukawa vom RIKEN Center for Emergent Matter Science und ihre Mitarbeiter leiten die Bemühungen zur Entwicklung dieses Bereichs der Spintronik. Insbesondere erforschen sie den Einsatz nanoskaliger magnetischer Whirlpools, sogenannter Skyrmionen.
„Skyrmionen können mit deutlich kleineren Strömen oder elektrischen Feldern gesteuert werden“, erklärt Kawano-Furukawa. „Das macht sie äußerst vielversprechend für zukünftige Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie, etwa als Computerspeicher, der keinen Strom benötigt, um gespeicherte Daten zu speichern.“
Das Team konzentrierte sich auf das Material Manganmonosilizid – einen Helimagneten, der so genannt wird, weil sich die Spins in seinem Molekülgitter in helikalen Mustern ausrichten. Um die magnetischen Anregungen mit der niedrigsten Energie in den Skyrmion-Zuständen zu messen, waren äußerst empfindliche Geräte erforderlich. Ihre Forschung war veröffentlicht In Naturphysik.
„Die einzige Methode, die sowohl die räumlichen als auch die energetischen Auflösungsanforderungen für diesen Zweck erfüllt, ist die Neutronen-Spin-Echo-Technik“, sagt Kawano-Furukawa. „Wir haben Experimente mit dem hochmodernen Neutronen-Spin-Echo-Spektrometer IN15 am Institut-Laue-Langevin in Grenoble, Frankreich, durchgeführt. Dieses Instrument bietet die weltweit höchste Leistung für die Untersuchung der Dynamik von Materialien in Magnetfeldern.“
Bei der Spin-Echo-Methode wird eine Probe mit einem Neutronenstrahl beleuchtet und gemessen, wie sich die Magnetfelder der Probe auf den Spin und die Geschwindigkeit der Neutronen auswirken.
Durch ihre Beobachtungen bestätigte das Team theoretische Vorhersagen, dass die fadenförmigen Strukturen von Skyrmionen eine asymmetrische Streuung der Anregungen im Gitter des Manganmonosilizids verursachen. Mit Kawano-Furukawas Worten „wissen“ diese Anregungen, ob sie parallel oder antiparallel zu den Kernen der Skyrmion-Whirlpools wandern. Diese Bestätigung der Theorie eröffnet den Weg zur besseren Nutzung von Skyrmionen.
Das Team musste zwei Jahre warten, um seine Ergebnisse zu bestätigen. „Unser erstes Experiment haben wir im Oktober 2018 durchgeführt“, sagt sie. „Um endgültige Schlussfolgerungen ziehen zu können, mussten wir jedoch bestätigen, dass das Verhalten nur in der Skyrmion-Phase und nicht in einer anderen magnetischen Struktur namens konischer Phase beobachtet wurde. Aufgrund der COVID-19-Pandemie wurde das Folgeexperiment auf verschoben Januar 2021 und wurde aus der Ferne durchgeführt, was verschiedene Herausforderungen mit sich brachte.“
Das Team will nun weiter erforschen, wie magnetische Skyrmionen erzeugt werden. „Wir wollen die Koexistenz der konischen und der Skyrmion-Phase im Manganmonosilizid untersuchen“, sagt Kawano-Furukawa.
Mehr Informationen:
Minoru Soda et al., Asymmetrische langsame Dynamik des Skyrmion-Gitters in MnSi, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02120-5