Wirbel mit Potenzial

Antiskyrmionen im Fokus

In Zukunft sollen Nachweis und Manipulation von Antiskyrmionen durch elektrische Felder gelingen. „So funktioniert die heutige Elektronik, und das ist auch das Ziel unserer Forschung“, sagt Helm. Die Wissenschaftler vom HZDR sind hier einen großen Schritt vorangekommen, und zwar zusammen mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung, ebenfalls in Dresden ansässig, sowie der University of South Florida. Das Team hat ein neues Verfahren zur Arbeit mit Antiskyrmionen entwickelt.

„Die Idee hinter unseren Versuchen war es, den charakteristischen Fußabdruck von Antiskyrmionen im sogenannten Hall-Effekt zu finden“, erläutert Helm. Bei diesem Effekt wird elektrischer Strom durch ein äußeres Magnetfeld abgelenkt, das senkrecht zur Fließrichtung steht. Wenn es magnetische Wirbel in einem Material gibt, dann erzeugen diese ein zusätzliches lokales Magnetfeld, das die gemessene Spannung verändert. Da diese Spannung von der Art der Magnetwirbel abhängt, lassen sich Skyrmionen und Antiskyrmionen im Prinzip voneinander unterscheiden.

Allerdings ist der Effekt von Antiskyrmionen viel kleiner als anfangs im untersuchten Material vermutet. „Bislang haben wir diesen Effekt noch nicht klar messen können, aber wir können abschätzen, wie stark der Einfluss der Antiskyrmionen auf die Hall-Spannung ist“, berichtet Helm.

Ein besonderes Material

Hierzu machten die Forscher umfangreiche Testreihen. Ausgangspunkt war ein kleiner Einkristall, den die Experten vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe hergestellt hatten. Er bestand aus einer magnetischen Legierung der Metalle Platin, Mangan und Zinn. Diese besondere Legierung wird zur Klasse der Heusler-Verbindungen gezählt. Solche kristallinen Materialien zeichnen sich durch besondere Eigenschaften aus. Sie sind beispielsweise ferromagnetisch, obwohl dies keines der Elemente ist, aus denen sie bestehen.

„In der von uns untersuchten Heusler-Verbindung konnten wir eine ganze Reihe interessanter Phänomene finden“, sagt Helm. Erstens ist sie eine von nur wenigen Verbindungen, in denen bislang überhaupt Antiskyrmionen bis oberhalb der Raumtemperatur gefunden wurden. Außerdem können sich in ihr je nach den äußeren Bedingungen – insbesondere abhängig von der Temperatur und dem externen Magnetfeld – nicht nur Antiskyrmionen, sondern auch Skyrmionen bilden. Die unterschiedlichen Skyrmionen-Typen lassen sich sogar ineinander umwandeln, sodass das Material für technologische Anwendungen sehr vielversprechend erscheint.

Auch ist den Wissenschaftlern etwas Erstaunliches aufgefallen: Die Größe der Antiskyrmionen hängt von der Dicke des Materials ab. Damit lässt sich die Dimension der Magnetwirbel direkt über den Herstellungsprozess des Materials steuern, meint Helm: „Das steht im Einklang mit aufwändigen Simulationen unseres Forschungsteams an Supercomputern.“ Dadurch wurde ein genaues Atommodell erstellt, mit dem sich die Entstehung von Antiskyrmionen im Material nachvollziehen und die experimentellen Ergebnisse reproduzieren lassen.

Sägen mit Ionenstrahl

Um unterschiedlich dünne Plättchen zu erzeugen, wandten sich die Dresdner Forscher an ihre Kollegen am Ionenstrahlzentrum des HZDR. Mithilfe eines extrem feinen Ionenstrahls frästen diese aus dem kleinen Kristallblock mikrometerfeine Plättchen heraus. „An diesen haben wir dann elektrische Kontakte angebracht, um verschiedene Effekte zu messen“, sagt Helm. Außerdem verglichen die Wissenschaftler ihre elektrischen Messungen mit den Daten aus der Transmissionselektronenmikroskopie, der magnetooptischen Mikroskopie sowie den Experimenten mit gestreuten Neutronen.

In dickeren Stücken zeigten sich keine Antiskyrmionen. Aber in Plättchen von weniger als zehn Mikrometern traten sie auf und wurden umso kleiner, je dünner das Material war. Wenn man noch die Temperaturabhängigkeit dieser Effekte und die Option, das Material chemisch zu verändern, in Betracht zieht, dann ergibt sich hier eine Vielzahl von Forschungsperspektiven. „Etwas salopp gesagt, tut sich hier eine riesige Spielwiese für die Forschung mit Skyrmionen und Antiskyrmionen auf“, freut sich Helm.

Hinzu kommt eine angenehme Eigenschaft des untersuchten Materials: Bei einer Dicke unterhalb 200 Mikrometer wird die Probe weitgehend transparent für Elektronenstrahlen, sodass man sie gut untersuchen und die Ergebnisse der elektrischen Messungen abgleichen kann.

Die Dresdner Wissenschaftler versuchen nun, das Material immer dünner zu schneiden. Ziel ist, aus der Heusler-Legierung nur noch nanometerfeine Plättchen mit wenigen Atomlagen zu erzeugen. Die Antiskyrmionen sollten dann ebenfalls sehr klein werden. Die Frage ist, was auf atomaren Größenordnungen geschieht.

Quantenrechner und Daumenschrauben

Da Skyrmionen stabile Quasiteilchen sind, die sich mittels elektromagnetischer Felder sehr energieeffizient manipulieren lassen, könnten sie für Quantencomputer genutzt werden. Ein Ziel ist, Informationen in ihrer magnetischen Struktur zu speichern und mittels quantenlogischer Rechenschritte zu verarbeiten.

Eines der Hauptprobleme bei Halbleiterschaltkreisen besteht in der effizienten Ableitung der Wärme bei Schaltprozessen in Prozessoren. Das Schalten einzelner Elementarmagneten hat einen vergleichsweise geringen Energieverlust zur Folge und kann daher auch auf viel engerem Raum genutzt werden. So ließe sich eine auf Skyrmionen basierende Computertechnologie weiter miniaturisieren und energieeffizienter gestalten.

Die Wissenschaftler wollen dem vielversprechenden Material weitere Geheimnisse entlocken. Dazu legen sie ihm gleichsam Daumenschrauben an: Denn unter hohem Druck zeigen viele Materialien unerwartete Effekte. Einen besonders hohen Druck erzeugen Diamantstempelzellen. Aber auch chemisch modifizierte Verbindungen stehen auf der Agenda der Wissenschaftler.

Die zurzeit untersuchte Legierung eignet sich zwar für die Grundlagenforschung, müsste aber für den Einsatz in technologischen Anwendungen noch optimiert werden. So können Antiskyrmionen bislang nur mit relativ hohen magnetischen Feldenergien erzeugt werden. Heusler-Verbindungen haben jedoch die wünschenswerte Eigenschaft, dass sie sich durch chemische Verfahren, etwa durch Einbringen von Fremdatomen, dem Dotieren, gezielt modifizieren lassen.

Kommt die Skyrmionik eines Tages zur kommerziellen Anwendung, dann lassen sich die Materialien an unterschiedliche Anforderungen anpassen, etwa für neuromorphes Computing, bei dem die Funktionsweise von Gehirnen simuliert wird. Auch als Quantenbits in einem Quantencomputer kommen Skyrmionen in Betracht. „Durch ihre Robustheit eignen sie sich als Speicher für die fragilen Quantenzustände“, sagt Helm. Man darf gespannt sein, welche technologischen Möglichkeiten die unscheinbaren Magnetwirbel noch mit sich bringen.