Spintronik: Röntgenmikroskopie an BESSY II kann Domänenwände unterscheiden

Magnetische Skyrmionen sind winzige Wirbel aus magnetischen Spin-Texturen. Im Prinzip könnten Materialien mit Skyrmionen als spintronische Bauelemente verwendet werden, zum Beispiel als sehr schnelle und energie­effiziente Datenspeicher. Doch im Moment ist es noch schwierig, Skyrmionen bei Raum­temperatur zu kontrollieren und zu manipulieren. Eine neue Studie an BESSY II analysiert die Bildung von Skyrmionen in einem besonders interes­santen Material in Echtzeit und mit hoher räumlicher Auflösung. Es handelt sich um ferri­magnetische Dünnschichten aus Dysprosium und Kobalt. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, den Skyrmionen­typ klar zu bestimmen.

Isolierte magnetische Skyrmionen sind topologisch geschützte Spin-Texturen, die wegen ihrer möglichen Anwendungen in der Informations­techno­logie gerade intensiv untersucht werden. Besonders interessant sind Skyrmionen, die in ferri­magnetischen Seltenerd-Übergangs­metall-Materialien auftreten. Sie weisen abstimmbare ferro­magnetische Eigen­schaften mit anti­ferro­magnetisch gekoppelten Unter­gittern auf. Durch die Wahl der Elemente aus der Gruppe der Seltenen Erden und der Übergangs­metalle bieten sie eine Spielwiese für die Kontrolle der Magneti­sierung und der senkrechten magnetischen Anisotropie, beides Schlüssel­parameter für die Stabili­sierung topo­lo­gischer ferri­magnetischer Texturen.

Eine Klasse von ferri­magnetischen Legierungen besitzt eine stärkere senkrechte magnetische Anisotropie, dazu gehört auch eine Verbindung aus Dysprosium und Kobalt. Diese Materialien könnten Informationen deutlich stabiler abspeichern, allerdings sind ihre magnetischen Eigen­schaften und Strukturen bisher kaum untersucht worden. Ein Team unter der Leitung von Florin Radu hat jetzt DyCo3-Proben mit röntgen­mikro­skopischen Methoden an BESSY II analysiert und die Spin­strukturen bestimmt.

Dazu nutzten die Forscher die Raster-Trans­missions-Röntgen­mikro­skopie mit zirkular oder linear polari­siertem Röntgenlicht, um über röntgen­magnetische Effekte den Kontrast zwischen den Elementen zu steigern. „So konnten wir isolierte ferri­magnetische Skyrmionen in hoher Dichte direkt beobachten und ihren Domänen­wand­typ genau bestimmen", berichtet Radu.

Die Ergebnisse zeigen, dass die ferri­magnetischen Skyrmionen vom Néel-Typ sind und sich deutlich von den anderen Domänen­wänden, den Bloch-Wänden, unterscheiden lassen. Damit kann erstmals der Typ der Domänenwände durch Röntgen­unter­suchungen zuverlässig bestimmt werden. Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Anwendung dieser interes­santen Material­klasse für echte spin­tronische Bau­elemente.

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Luo et al.: Direct observation of Néel-type skyrmions and domain walls in a ferrimagnetic thin film via scanning transmission X-ray microscopy, Commun. Phys. 6, 218 (2023); DOI: 10.1038/s42005-023-01341-7
• BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Weitere Beiträge

• D. Meier, Wände mit besonderer Funktion, Physik Journal, August/September 2017, S. 55 PDF
• P. Möhrke und M. Kläui, Strom aus wandernden Wänden, Physik Journal, April 2009, S. 20 PDF