Zwei Methoden, um sie zu erstellen und ihre Bewegung zu steuern

Magnetische Skyrmionen sind extrem kleine und stabile Magnetisierungsstrudel, die oft als „topologische Quasiteilchen“ bezeichnet werden, da eine entstehende Stabilität dieses Spin-Ensemble umfasst. Als solche können Skyrmionen manipuliert werden, während sie ihre Form behalten. In ferromagnetischen Dünnschichten lassen sie sich bequem mit einem elektrischen Strompuls oder noch schneller mit einem Laserpuls erzeugen – bisher allerdings nur an beliebigen Stellen im Material. Wissenschaftlich interessant sind Skyrmionen aus zwei Perspektiven: Zum einen sind magnetische Skyrmionen als Informationsträger in der zukünftigen Informationstechnologie vorgesehen. Andererseits könnten Skyrmionen in dünnen magnetischen Filmen als ideale Testumgebung dienen, um die Dynamik topologisch nicht trivialer magnetischer Quasiteilchen zu untersuchen.

Um auf diesem Gebiet Fortschritte zu erzielen, ist jedoch eine zuverlässige Erzeugung des magnetischen Skyrmions an kontrollierten Positionen erforderlich. Einem Forscherteam unter der Leitung des Max-Born-Instituts ist es nun gelungen, die Skyrmion-Erzeugung im Nanometerbereich durch zwei unabhängige Ansätze unter Verwendung von He+-Ionen-Bestrahlung oder der Verwendung von Rückseiten-Reflexionsmasken zu kontrollieren.

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte bei der Erzeugung, Vernichtung und Bewegung magnetischer Skyrmionen in magnetischen Dünnschichten erzielt. Ein erstklassiges Werkzeug zur Untersuchung dieser magnetischen Texturen im Nano- bis Mikrometerbereich besteht darin, sie direkt abzubilden – entweder mit sichtbarem Licht oder mit Röntgenstrahlen. Wenn wir die dynamischen Eigenschaften zusammen mit den räumlichen Eigenschaften untersuchen wollen, müssen wir einen Film aufnehmen, der aus vielen Einzelbildern besteht. Allerdings ist die direkte Aufnahme eines Skyrmion-Films auf den relevanten Zeitskalen von Nano- oder gar Pikosekunden kaum möglich – die Aufnahmezeit, die für ein einzelnes Bild benötigt wird, ist typischerweise zu lang.

Dieses Problem wird üblicherweise durch wiederholte stroboskopische Messungen – sogenannte „Pump-Probe-Experimente“ – gelöst, bei denen der gleiche Vorgang während der Bildgebung immer wieder wiederholt wird. Um solche zeitaufgelösten Messungen zu ermöglichen, muss die Dynamik des magnetischen Skyrmions kontrollierbar und deterministisch sein. Ein Forscherteam unter der Leitung des Max-Born-Instituts hat nun zwei Methoden etabliert, um Skyrmionen zuverlässig an gewünschten Positionen zu erzeugen und ihre Bewegung zu steuern – wesentliche Schritte zur Aufnahme von Videos von sich bewegenden Skymionen.

Ein erstes Verfahren beruht auf der Bestrahlung des magnetischen Films, der die Skyrmionen beherbergt, mit einem fokussierten Heliumionenstrahl, um flexibel Muster unterschiedlicher Formen und Größen im magnetischen Material zu erzeugen. Wichtig ist, dass diese lokale Modifikation mit sehr leichten Ionen nur die magnetischen Eigenschaften des Materials beeinflusst, während der Film strukturell intakt bleibt. Durch den Einsatz von Helium-Ionen ist es möglich, Positionen vorzudefinieren, an denen Skyrmionen erscheinen, nachdem ihre Entstehung mit einem kurzen Stromimpuls oder Laserlicht ausgelöst wurde (siehe Abb. 1, wo Skyrmionen in zwei Reihen isolierter Punkte nukleiert werden).

Insbesondere die magnetische Modifikation erweist sich als sanft genug, um sogar ein kontrolliertes Ablösen des Skyrmions von seinem Entstehungsort und seine anschließende ungehinderte Bewegung zu ermöglichen. Darüber hinaus konnte das Team durch die Kombination einer solchen Skyrmion-Erzeugungsstelle mit einem Führungskanal die kontinuierliche Bewegung eines magnetischen Skyrmions zeigen, das von elektrischen Stromimpulsen angetrieben wird, über mehrere zehn Mikrometer hin und her auf der sogenannten magnetischen Rennstrecke – wodurch alle unerwünschten vollständig unterdrückt werden Seitwärtsbewegung, die stromgetriebenen Skyrmionen eigen ist.

In einem zweiten Ansatz zur Vordefinition von Nukleationsstellen für Skymionen entwarfen die Forscher reflektierende Masken mit Nanomustern auf der Rückseite des magnetischen Materials. Diese Masken ermöglichen es, die Anregungsamplituden zu steuern, die erreicht werden, wenn der Magnetfilm mit einem Laser getroffen wird, was zu einer Präzision im Nanometerbereich bei der räumlichen Verteilung der erzeugten magnetischen Skyrmionen führt (siehe Abb. 1, wo Skyrmionen auf einem quadratischen Gitter nukleiert werden).

Da die Masken auf der Rückseite des Magnetfilms gegenüber der laserbeleuchteten Oberfläche präpariert werden, behält der Ansatz einen freien Vorderseitenzugang zum Magnetfilm, beispielsweise zum Nachweis der Skyrmionen. Die Anwendung dieses Rückseitenmaskenansatzes mit seinem ungehinderten Zugang zum Magnetfilm kann leicht auf andere photoinduzierte Schaltphänomene übertragen werden, um eine Nanometerkontrolle auf den geschalteten Bereichen hinzuzufügen.

Die Ergebnisse dieser Studien, veröffentlicht in Nano-Buchstaben und Körperliche Überprüfung B, kann sich auch auf die Forschung zu neuartigen Computer- und Datenspeicherkonzepten auswirken. In den letzten Jahrzehnten haben wir eine Nachfrage nach immer höheren Datenspeicherdichten und effizienten Rechenkapazitäten beobachtet, was ein enormes industrielles Interesse an der Erforschung magnetischer Effekte hervorruft, die auf ultraschnellen und ultrakleinen Skalen für technologische Anwendungen aktiv sind. Ein möglicher Kandidat als Informationsträger der nächsten Generation ist das magnetische Skyrmion. Mit dem erreichten Steuerungsniveau für die Skyrmion-Erzeugung und -Bewegung und dem Potenzial für eine noch weitere Miniaturisierung kann die Technologie letztendlich den Weg für mögliche zukünftige Geräte wie Skyrmion-Rennstreckenspeicher, Schieberegister und Skyrmion-Logikgatter ebnen.

Bereitgestellt vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)