Hindernislauf mikroskopischer Wirbel

Zoomt man mit einem optischen Kerr-Mikroskop in dünne magnetische Material­schichten, so kann man unter passenden Bedingungen magnetische Wirbel­strukturen namens Skyrmionen erkennen. Langfristig könnten sich diese für verschiedene Anwendungen nutzen lassen, etwa zur Daten­speicherung oder -prozes­sierung. Denn die Wirbel, die wegen ihrer Stabilität auch als Quasi-Teilchen bezeichnet werden, bewegen sich nicht nur durch Temperatur­effekte eigen­ständig durch das Material, sondern lassen sich etwa durch einen Stromimpuls anschubsen. Während für einige Anwendungen starke Schubser gefragt sind, sollen sich die Skyrmionen bei anderen Anwendungen wie dem nicht­konven­tio­nellen Computing vor allem selbst­ständig thermisch durchs Material bewegen.

Die Herausforderung dabei: Die nano­meter­dünnen Material­schichten, in denen die Skyrmionen auftreten, sind nie perfekt. Die Magnetwirbel können also irgendwo hängen bleiben. Meistens ist dieses „Pinning“ so stark, dass die Teilchen von sich aus kaum noch voran­kommen. Kritisch ist dieses Hängen­bleiben der Skyrmionen vor allem für Anwendungen, die auf der thermischen Bewegung der Teilchen beruhen – diese kann durch das Pinning voll­ständig zum Erliegen kommen.

„Mit dem Kerr-Mikroskop habe ich Skyrmionen in der Größe von einem Mikrometer optisch untersucht – genauer gesagt ihr Pinning“, erklärt Raphael Gruber von der Uni Mainz. Zwar gab es bereits verschiedene Theorien zu der Frage, wie dieser Effekt zustande kommt. Allerdings haben sich diese meist darauf beschränkt, das Skyrmion als Ganzes zu betrachten – also die Bewegung seiner Mitte anzuschauen. Vereinzelt gab es auch experi­mentelle Unter­suchungen. Diese fokus­sierten sich auf sehr starkes Pinning, bei dem sich die Skyrmionen gar nicht mehr bewegen.

„Meine Untersuchungen basierten auf schwachem Pinning, bei dem sich die Skyrmionen noch etwas bewegen und mitunter weiter­hopsen konnten, bis sie erneut irgendwo hängen­blieben“, konkre­ti­siert Gruber. Die Ergebnisse liefern interessante neue Einsichten. „Die Skyrmionen fallen nicht wie ein Ball in ein Loch“, fasst der Forscher zusammen, „sondern kleben statt­dessen mit ihrem Rand fest.“

JGU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  R. Gruber et al.: Skyrmion pinning energetics in thin film systems, Nat. Commun. 13, 3144 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-30743-4
• Kläui-Laboratory, Institut für Physik, Johannes Gutenberg-Universität Mainz