Erstmals Antiskyrmionen experimentell nachgewiesen

Antiskyrmionen gehören zur Familie der magnetischen Solitonen. Teilchen und Antiteilchen können sich annihilieren, wobei die ursprüng­lichen Teilchen verschwinden und Energie freigesetzt wird. Auch ein magnetisches Skyrmion und sein Antiteilchen können sich annihilieren. Während etwa bei der Elektron-Positron-Annihilation die Energie durch die Emission von Photonen freigesetzt wird, wird bei der Annihilation eines Skyrmions und eines Antiskyrmions die Energie in Form von Spinwellen freigesetzt.

Magnetische Solitonen sind Anregungen von Magnetisierungs­feldern, die sich mit den Mitteln der klassischen Physik beschreiben lassen. Die Wechsel­wirkungen zwischen den Magnetfeldern der verschiedenen Atome in einem Material führen in der Regel zu einer nahezu parallelen Ausrichtung der Magnetisierungs­vektoren, zumindest lokal. Diese nahezu perfekte Ordnung kann jedoch durch verschiedene Stimuli, wie externe Magnetfelder oder Temperatur­schwankungen, gestört werden. In den meisten Fällen klingen solche Störungen schnell ab. Im Inneren magnetischer Kristalle breiten sich solche Spinwellen durch Richtungs­änderungen der Magnetisierungs­vektoren aus. Ihre Amplitude nimmt mit der Zeit ab, und das System kehrt schließlich in seinen Ausgangs­zustand zurück.

Solitonen sind besondere Arten von Anregungen, die ihre Form in Raum und Zeit beibehalten können. Typischerweise sehen sie wie isolierte Wellen aus, die sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegen. Solitonen in magnetischen Kristallen können perfekt in allen drei Raum­richtungen lokalisiert werden und bleiben auch im Ruhezustand stabil, genau wie echte Teilchen. Magnetische Skyrmionen und Antiskyrmionen sind Beispiele für solche statisch stabilen Solitonen.

Ein Grund für das wissen­schaftliche Interesse an magnetischen Solitonen ist, dass sie sich leicht manipulieren lassen. Insbesondere können Forscher sie dazu bringen, sich zu bewegen und miteinander zu interagieren. Indem man zum Beispiel die Stärke eines externen Magnetfelds variiert, lassen sie sich zerstören und neu bilden. Unter bestimmten Bedingungen können sie sogar perfekt geordnete Muster bilden, ähnlich wie bei Kristall­gittern. Die typische Größe von magnetischen Skyrmionen in Materialien liegt zwischen einigen Nanometern und einigen hundert Nanometern.

Es gibt mehrere Ideen zur Nutzung magnetischer Solitonen als bewegliche Datenbits in Datenspeichern. Darüber hinaus gibt es Vorschläge für den Einsatz von Skyrmionen in der neuromorphen und stochastischen Daten­ver­arbeitung. Um solche Konzepte zu realisieren, müssen die Forscher zunächst noch mehr über die grund­legenden Eigen­schaften von Skyrmionen und Antiskyrmionen wissen. Darauf konzentriert sich ein Team am Forschungs­zentrum Jülich, das aus Theoretikern des Peter-Grünberg-Instituts und Experi­men­tatoren des Ernst-Ruska-Centrums besteht.

Die Existenz magnetischer Antiskyrmionen war durch theoretische Über­legungen voraus­gesagt. Jetzt gelang dem Team erstmals der experi­mentelle Nachweis von Antiskyrmionen. Möglich wurde dies durch hoch­auf­lösende Elektronen­mikroskopie und fort­schritt­liche Simulationen sowie lang­jährige Erfahrung in der Unter­suchung des Materials, gepaart mit sorgfältiger experi­menteller und theoretischer Arbeit. Gleichwohl war die Entdeckung von Antiskyrmionen in einer Eisen-Germanium-Legierung eine Überraschung für die Wissen­schaftler. Denn das Experiment war ursprünglich für die Beobachtung einer anderen Art magnetischer Solitonen konzipiert, Skyrmion-Beutel genannt. Aus theoretischen Arbeiten war bekannt, dass dünne Platten aus einer Eisen-Germanium-Legierung nötigen waren, um die Stabilität von Skyrmion-Beuteln untersuchen zu können.

Wie sich heraus­stellte, sind solche dünnen Schichten mit einer Dicke von nur etwa siebzig Nanometern auch erforderlich, um stabile Antiskyrmionen zu sehen. Allerdings haben die Forscher das erst nach den experi­men­tellen Beobachtungen richtig verstanden. Die Proben wurden mithilfe eines Transmissions-Elektronen­mikroskops untersucht. Der deutliche magnetische Kontrast von Skyrmionen und Antiskyrmionen ermöglichte es, die Teilchen zu unterscheiden und zu untersuchen, wie sie entstehen und sich gegenseitig vernichten.

Um jedoch zu beweisen, dass der Kontrast in den Bildern bestimmten magnetischen Konfigu­ra­tionen entspricht, wie eben Skyrmionen und Antiskyrmionen, musste das Team Computer­simulationen mit den experi­men­tellen Bildern vergleichen. Diese Simulationen sind rechnerisch sehr anspruchsvoll. Besonders heraus­fordernd ist es, nicht nur die magnetische Textur in der Probe, sondern auch den Kontrast in den aufgenommenen Bildern zu simulieren. Diese Kombination aus hoch­auf­lösender Elektronen­mikroskopie und fort­schritt­lichen Simulationen war für den Erfolg der Arbeit entscheidend.

FeGe ist nur einer von vielen magnetischen Kristallen, in denen ähnliche Phänomene wie Antiskyrmionen zu erwarten sind. Die Forscher gehen davon aus, dass Skyrmionen und Antiskyrmionen auch in anderen magnetischen Kristallen beobachtet werden können. Das Team ist insbesondere auf der Suche nach Materialien, in denen Skyrmionen und Antiskyrmionen bei Raumtemperatur existieren können, was für Anwendungen vorteilhaft wäre.

FZ Jülich / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Zheng et al.: Skyrmion–antiskyrmion pair creation and annihilation in a cubic chiral magnet, Nat. Physics 18, 863 (2022); DOI: 10.1038/s41567-022-01638-4
• Spin Dynamics Group, Peter-Grünberg-Institut, Forschungszentrum Jülich

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