Säcke voller Skyrmionen, die magnetischen Bits der Zukunft

Elektronik

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 08.04.2025

Illustration der Entstehung von Skyrmionensäcken in dünnen Filmen. [Bild: MIB/Advanced Materials]

Verschachtelte Skyrmionen

Wenn Sie mit den Technologien vertraut sind, die in den Computern oder Mobiltelefonen stecken, die Sie in 10 Jahren oder später kaufen möchten, haben Sie sicherlich schon von Skyrmionen gehört, einer Art magnetischem Strudel , der die Computertechnik revolutionieren soll.

Da es sich um magnetische Strukturen im Nanomaßstab handelt, werden sie bei der Entwicklung neuer Datenspeichermechanismen mit hoher Dichte verwendet, die viel höher ist als die aktueller Festplatten und SSDs, sowie in der magnetbasierten Datenverarbeitung, beispielsweise in der Spintronik , die viel weniger Energie verbraucht und bei der keine Daten verloren gehen, wenn Sie das Gerät ausschalten.

Nun haben Lisa Kern und Kollegen am Max-Born-Institut und der Berliner Forschungsvereinigung in Deutschland eine Möglichkeit entdeckt, komplexe Strukturen aus ineinander „verschachtelten“ Skyrmionen zu erzeugen. Dadurch wird nicht nur eine Datenverdichtung auf bisher undenkbare Weise erreicht, sondern auch eine Kontrolle über einzelne magnetische Bits.

Das Team nennt seine Struktur Skyrmionenbeutel oder Skyrmionentaschen.

„Unsere Erkenntnisse erweitern nicht nur den experimentellen Horizont der Skyrmionenforschung, sondern legen auch Strategien zur Erforschung komplexer topologischer Spintexturen innerhalb einer einheitlichen Materialplattform für praktische Anwendungen nahe“, schrieben die Forscher.

Struktur und Mikrofotografien magnetischer Bits mit unterschiedlicher Anzahl von Skyrmionen. [Bild: Lisa-Marie Kern et al. - 10.1002/adma.202501250]

Skyrmionium und Skyrmionbeutel

Die einfachsten Formen von Skyrmionen, die bereits ausführlich in sehr dünnen magnetischen Filmen erforscht wurden, nehmen eine kreisförmige Gestalt an, bei der sich die Spins von außen nach innen um 180° drehen. Die Spins im Zentrum des Skyrmions zeigen daher in die entgegengesetzte Richtung zu denen außerhalb des Skyrmions.

Zu den komplexeren Konfigurationen gehört das sogenannte Skyrmionium, bei dem die Spins um 360° rotieren und die Spins im Zentrum die gleiche Ausrichtung wie die äußeren haben, was zu einer ringförmigen Struktur führt.

Was das Team nun experimentell nachgewiesen hat, ist, dass dieser Ring erneut mit Skyrmionen gefüllt werden kann, was zu einem Skyrmion innerhalb des Rings führt – den Skyrmionentaschen mit mehreren Skyrmionen darin.

Das Team entdeckte, wie sich die magnetischen Eigenschaften des dünnen Films durch Heliumionenstrahlen nanoskalig verändern lassen, um die Entstehung dieser höherwertigen Texturen mit Strukturen unter 100 Nanometern zu fördern. Zu den Demonstrationen gehörte die Erzeugung verschiedener Skyrmionenbeutel, von leerem Skyrmionium bis hin zu Beuteln, die mit vier Skyrmionen gefüllt sind.

Dies eröffnet einen praktischen Weg zur Untersuchung und Nutzung komplexer Skyrmionenzustände in Dünnschichtmaterialien, was einen wichtigen Schritt in Richtung zukünftiger spintronischer und topologischer Geräte darstellt.

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