Bewegung und Dynamik nanoskaliger Skyrmionen in ferrimagnetischen Multilagen

• Antragsteller: Dr. Martin Lonsky
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421075681

Magnetische Skyrmionen sind topologisch geschützte chirale Spintexturen mit neuartigen Eigenschaften, welche ein großes Potential im Hinblick auf neue Anwendungen in der Datenspeicherung und Informationstechnologie aufweisen. In den vergangenen Jahren konnten diese magnetischen Wirbelstrukturen in unterschiedlichen Materialien entdeckt und umfangreich untersucht werden. Erst kürzlich wurde das Auftreten von Skyrmionen in magnetischen Multilagen bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen experimentell nachgewiesen. Allerdings existieren immer noch grundlegende Einschränkungen im Hinblick auf die praktische Realisierung von Skyrmion-basierten Speichermedien. Skyrmionen in ferromagnetischen Materialien unterliegen nämlich einem unerwünschten topologischen Effekt, dem Skyrmion-Hall-Effekt. Dieser verursacht eine Bewegung der Skyrmionen senkrecht zur Stromflussrichtung und kann somit zu einer stark verringerten Ausbreitungsgeschwindigkeit oder sogar zur Vernichtung von Skyrmionen an den Rändern der Mikro-/Nanostruktur führen. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen wäre eine technische Umsetzung in modernen Speichermedien aufgrund der begrenzten Leistung und Zuverlässigkeit nicht sinnvoll. Erste theoretische und experimentelle Arbeiten haben jedoch gezeigt, dass der Skyrmion-Hall-Effekt in ferrimagnetischen Multilagen deutlich reduziert werden kann, da der Drehimpuls in diesen Systemen stark kompensiert ist. An diesem Punkt steht die Forschung erst am Anfang und es besteht Bedarf nach systematischen experimentellen Arbeiten an ferrimagnetischen Multilagen mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Daher ist es das Hauptziel dieses Forschungsprojektes, Ausbreitungsgeschwindigkeiten von über 1000 m/s zu erreichen, während gleichzeitig der Durchmesser eines Skyrmions auf 10 nm oder weniger reduziert werden soll. Dazu soll im Detail untersucht werden, wie sich die Geschwindigkeit als Funktion der räumlichen Ausdehnung eines Skyrmions, der Stromdichte, der Materialkomposition sowie der Defektkonzentration verhält. Zusätzlich sollen die dynamischen Anregungen von Skyrmionen in ferrimagnetischen Systemen mittels Breitband-Mikrowellen-Absorption, Spin-Torque ferromagnetischer Resonanz sowie räumlich aufgelöster Brillouin-Spektroskopie bestimmt werden. Die Ergebnisse werden wertvolle Informationen über die relevanten magnetischen Wechselwirkungen liefern und dadurch weitere Optimierungen des Multilagen-Designs im Hinblick auf die Realisierung in der Datenspeicherung ermöglichen. In diesem Zusammenhang sollen auch neue Techniken und Verfahren für die reproduzierbare Erzeugung und zuverlässige Detektion einzelner Skyrmionen entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Axel F. Hoffmann