Forscher der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben erstmals die Wechselwirkung von sogenannten antiferromagnetischen Skyrmionen in Echtzeit beobachtet. Wie die Universität mitteilt, wurden die Ergebnisse am Montag in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.
Skyrmionen sind winzige, stabile Magnetwirbel, die nur wenige Nanometer groß sind. Sie gelten als vielversprechender Ansatz in der Spintronik und könnten künftig als Bauelemente in Speichermedien oder Computern eingesetzt werden. Bisher wurde ihr praktischer Nutzen jedoch durch den sogenannten Skyrmion-Hall-Effekt eingeschränkt. Werden die Wirbel durch elektrischen Strom angetrieben, bewegen sie sich nicht geradeaus, sondern werden seitlich abgelenkt.
Das Mainzer Forschungsteam konnte nun direkt bestätigen, dass dieser Effekt bei antiferromagnetischen Skyrmionen nicht auftritt. „Wir haben reproduzierbar und innerhalb der experimentellen Unsicherheit gezeigt, dass sich Skyrmionen in antiferromagnetischen Systemen in Stromrichtung bewegen“, sagt Mona Bhukta aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Mathias Kläui. Diese zuverlässige Bewegung sei für künftige Bauelemente entscheidend.
Für ihre Untersuchung erzeugten die Forscher ein dichtes Gitter aus den Magnetwirbeln. Mithilfe von kurzen elektrischen Strompulsen versetzten sie das gesamte Gitter in Bewegung und konnten zeigen, dass sich alle Skyrmionen geradlinig bewegen. Sichtbar gemacht wurden die Vorgänge durch zeitaufgelöste Röntgenmikroskopie an der Forschungsanlage BESSY II in Berlin.
Ein Film der Bewegung in Nanosekunden
In einem zweiten Experiment regte das Team das Gitter mit schwächeren Strompulsen an. „Da dieser Ablauf Milliarden Mal identisch wiederholt wurde, ließ sich daraus ein Film der Bewegung mit Nanosekunden-Zeitauflösung zusammensetzen“, erklärt Dr. Robert Frömter von der JGU.
Dabei beobachteten die Wissenschaftler, wie sich die Magnetwirbel nach dem Abschalten des Stroms verhalten. Mobile Skyrmionen, die zuvor gegen festsitzende Wirbel gedrückt wurden, bewegten sich wieder zurück. „Man kann sich das wie eine dicht gepackte Anordnung weicher Bälle vorstellen, von denen einige lokal verankert sind: Werden die beweglichen Bälle gegen die festgehaltenen gedrückt, verformen sie sich und federn zurück, sobald sie nicht mehr von außen gegen diese gedrückt werden“, erklärt Bhukta.
Grundlage für neue Bauteile
Aus dieser Rückstoßbewegung konnten die Forschenden ableiten, wie stark sich die Skyrmionen gegenseitig abstoßen. Dieses Wissen über die Wechselwirkung ist besonders wichtig, wenn eine Vielzahl der Magnetwirbel in Bauteile integriert werden soll.
„Unsere Ergebnisse schaffen einen quantitativen Rahmen für die Wechselwirkungen antiferromagnetischer Skyrmionen. Damit ebnen sie den Weg für spintronische Bauelemente, die auf einer Vielzahl an Skyrmionen basieren“, so Bhukta.
