Magnetische Nano-Mosaike

Seit etwa zehn Jahren sind magnetische Skyrmionen – teilchen­artige, stabile magnetische Wirbel, die in bestimmten Materialien entstehen können und faszinierende Eigen­schaften besitzen – im Fokus der Forschung: Elektrisch gut zu kontrol­lieren und nur wenige Nanometer groß eignen sie sich für zukünftige Anwendungen in der Spin­elektronik, in Quanten­computern oder in neuro­morphen Chips. Gefunden wurden diese magnetischen Wirbel zunächst in regel­mäßigen Gittern. Später wurden an der Uni Hamburg auch einzelne Skyrmionen beobachtet. Forscher der Unis Kiel und Hamburg haben jetzt eine neue Klasse von spontan auf­tretenden magnetischen Gittern entdeckt. Sie sind zwar mit den Skyrmionen­gittern verwandt, aber ihre atomaren Stabmagnete auf der Nano­meter­skala sind anders ausge­richtet. Ein grund­sätz­liches Verständnis davon, wie solche komplexen Spin­strukturen entstehen, angeordnet sind und stabil bleiben, ist auch für zukünftige Anwendungen nötig.

„In unseren Messungen haben wir eine hexagonale Anordnung von magnetischen Kontrasten gefunden und das zuerst auch für ein Skyrmionen­gitter gehalten. Erst später wurde klar, dass es ein nano­skaliges magnetisches Mosaik sein könnte“, so Kirsten von Bergmann von der Uni Hamburg. Mit ihrem Team untersuchte sie dünne metal­lische Filme aus Eisen und Rhodium experi­mentell mit spin­polari­sierter Raster­tunnel­mikro­skopie. Damit lassen sich magnetische Strukturen bis hin zur atomaren Skala abbilden. Die beobachteten magnetischen Gitter traten spontan auf wie bei einem Ferro­magneten, also ohne angelegtes magnetisches Feld. „Mit einem Magnetfeld können wir die Mosaik­gitter invertieren, denn die entgegen­gesetzten Spins kompensieren sich nur teilweise“, so André Kubetzka von der Uni Hamburg.

Aufgrund dieser Messungen führte die Gruppe von Stefan Heinze an der Uni Kiel quanten­mechanische Rechnungen auf den Super­computern des Nord­deutschen Verbandes für Hoch- und Höchst­leistungs­rechnen durch. Sie zeigen, dass in den unter­suchten Eisen­filmen die Verkippung der atomaren Stabmagnete in einem Gitter aus magnetischen Wirbeln, also in alle Raum­richtungen, sehr ungünstig ist. Begünstigt wird dort statt­dessen eine nahezu parallele oder anti­parallele Aus­richtung benach­barter atomarer Stabmagnete.

„Dieses Ergebnis hat uns vollkommen überrascht. Ein Gitter aus Skyrmionen kam damit nicht mehr als Erklärung für die experi­men­tellen Beobach­tungen in Frage“, sagt Mara Gutzeit von der Uni Kiel. Erst die Entwicklung eines atomis­tischen Spin­modells brachte Klarheit, dass es sich um eine neuartige Klasse von magnetischen Gittern handeln musste, von den Forschern als „Mosaik­gitter“ bezeichnet. „Wir haben fest­ge­stellt, dass Austausch­terme höherer Ordnung, die erst vor wenigen Jahren vorher­gesagt wurden, diese mosaik­artigen magnetischen Strukturen hervor­rufen“, so Soumyajyoti Haldar von der Uni Kiel.

CAU Kiel / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Gutzeit et al.: Nano-scale collinear multi-Q states driven by higher-order interactions, Nat. Commun. 13, 5764 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-33383-w
• Institut für theoretische Physik und Astrophysik, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
• AG Wiesendanger, Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik, Universität Hamburg