Augsburg/MA/CH - Skyrmionen sind ein Zehntausendstel eines Millimeters große magnetische Wirbel, die durch ihre spezielle Form topologisch geschützt und somit besonders stabil sind. Dies macht sie interessant für eine Reihe von Anwendungen, zum Beispiel in neuartigen Datenspeichern. Experimentalphysikern und -physikerinnen an der Universität Augsburg ist es nun gelungen, eine neue Art dieser Skyrmionen rein durch magnetische Dipolwechselwirkung in dünnen magnetischen Multischichten zu stabilisieren und nachzuweisen – Antiskyrmionen erster und zweiter Ordnung. Zusammen mit Forschenden der Universität Wien gelang die theoretische Beschreibung dieser Spinobjekte und es konnte ein „Material-Rezept“ entwickelt werden, um diese neuartigen Objekte in einer Reihe von Materialien potenziell zu ermöglichen. Die renommierte Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte nun den Artikel zum Thema.

Magnetische Momente innerhalb eines Festkörpers bevorzugen normalerweise eine gemeinsame Ausrichtung in einem magnetischen Feld. Allerdings ist es möglich durch, spezielle Materialeigenschaften und die richtige Wahl des angelegten magnetischen Feldes Momentanordnungen in speziellen Formen zu erhalten. Ist diese Form der Momente kontinuierlich geschlossen, gilt sie als topologisch geschützt und besonders stabil.

Eine Klasse dieser topologisch geschützten Formen sind magnetische Skyrmionen. „Diese kann man sich als nanometergroße Wirbel vorstellen, die sich innerhalb des Materials wie Teilchen bzw. Quasiteilchen verhalten“, erklärt Manfred Albrecht, Professor des Lehrstuhls für Experimentalphysik IV.

Sehr stabil und ziemlich klein

Seit gut einem Jahrzehnt sind sie eines der am intensivsten behandelten Forschungsthemen im Magnetismus. Aufgrund ihrer Stabilität und geringen Größe sind sie besonders als Datenträger für Anwendungen vielversprechend. Dabei ist das Konzept einer „Rennstrecke“, in der viele Skyrmionen angetrieben von elektrischem Strom hintereinander durch das Material rasen, besonders beliebt – das sogenannte „Race-Track Memory“-Konzept. Um das Potential dieses Konzeptes zu erhöhen, sind verschiedene Skyrmionarten, die wiederum verschiedenen Speicherzuständen entsprechen, besonders interessant (siehe Abbildung 1).

Problematisch war dabei bislang sowohl die Erzeugung der verschiedenen exotischeren Skyrmionarten als auch die koexistente Stabilisierung in einem Material. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Augsburg ist nun beides gelungen.

Sie erzeugten erstmals ein Antiskyrmion zweiter Ordnung und beobachteten die Koexistenz von vier verschiedenen Skyrmionarten und einer topologisch trivialen Struktur (siehe Abbildung 2).

Dank umfassender Simulationen der Universität Wien konnten sie auch den genauen Grund für ihre Entdeckung ausmachen. Die zugrundeliegenden notwendigen Materialeigenschaften können nun auch auf andere Systeme angewandt werden. „Derzeit untersuchen wir weitere Materialsysteme, die genau diese Eigenschaften erfüllen.  Inwieweit sich diese Vorhersagen experimentell bestätigen lassen, wird sehr spannend“, erklärt Michael Heigl, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Experimentalphysik IV.

Michael Heigl, Sabri Koraltan, Marek Vaňatka, Robert Kraft, Claas Abert, Christoph Vogler, Anna Semisalov, Ping Che, Aladin Ullrich, Timo Schmidt, Julian Hintermayr, Dirk Grundler, Michael Farle, Michal Urbánek, Dieter Suess, und Manfred Albrecht: Dipolar-stabilized first and second-order antiskyrmions in ferrimagnetic multilayers; Nature
Communications 12, 2611 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22600-7