Die Zähmung der magnetischen Wirbel

Einheitliche Theorie für Skyrmionen-Materialien

Mit magnetischen Wirbelstrukturen, sogenannten Skyrmionen, könnte man sehr effizient Informationen speichern oder verarbeiten. Auch als Hochfrequenz-Bausteine könnten sie eingesetzt werden.

Magnetische Spin-Wellen in einem Festkörper. (Bild: Christoph Hohmann / NIM)

Erstmals hat nun ein Team von Physikern die elektromagnetischen Eigenschaften isolierender, halbleitender und leitender skyrmionischer Materialen charakterisiert und eine einheitliche theoretische Beschreibung des Verhaltens entwickelt. Damit können in Zukunft gezielt Bausteine mit bestimmten Eigenschaften hergestellt werden.

Vor mehr als sechs Jahren entdeckten Physiker der Technischen Universität München (TUM) in einer metallischen Legierung aus Mangan und Silicium extrem stabile magnetische Wirbelstrukturen. Zusammen mit theoretischen Physikern der Universität zu Köln treiben sie seitdem diese Technologie weiter voran.

Ein Mikrowellenfeld um die mittlere (Signal) und die beiden äußeren Leiterbahnen (Masse) induziert Spinwellen in der Materialprobe. (Bild: TUM)

Da die magnetischen Wirbel mikroskopisch klein sind und sich sehr leicht bewegen lassen, könnten Computerbausteine mit dieser Technologie 10000 mal weniger Strom benötigen und wesentlich größere Datenmengen speichern als heute. Neuere Forschungsergebnisse zeigten, dass sich die einzigartigen elektromagnetischen Eigenschaften der Skyrmionen auch für den Bau effizienter und sehr kleiner Mikrowellen-Sender und -Empfänger nutzen ließen.

Leiter, Halbleiter und Isolatoren
Um Computerchips herstellen zu können, braucht man isolierende, halbleitende und leitende Materialien. Für alle drei Materialklassen sind inzwischen Materialien bekannt, die magnetische Wirbelstrukturen ausbilden. Entscheidend ist aber, dass diese Wirbel schnell auf Wechselfelder reagieren, damit Informationen mit hoher Rate verarbeitet werden können. Das dynamische Verhalten der drei Materialen untersuchte nun ein Team von Physikern der TU München, der Universität zu Köln und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Schweiz).

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Aus den Ergebnissen ihrer Messungen entwickelte das Team eine für alle drei Materialklassen gültige theoretische Beschreibung des Verhaltens. „Mit dieser Theorie haben wir für die weitere Entwicklung ein wichtiges Fundament geschaffen“, sagt Prof. Dirk Grundler, Inhaber des Lehrstuhls für Physik funktionaler Schichtsysteme an der TU München. „Damit können wir in Zukunft gezielt Materialien mit bestimmten Eigenschaften ermitteln, so wie wir sie für ein Bauelement brauchen.“

Extrem kompakte Frequenzbausteine
Die typischen Eigenfrequenzen der Skyrmionen liegen im Mikrowellen-Bereich. In diesem Frequenzbereich senden beispielsweise Handys, WLAN und viele Arten mikroelektronischer Fernsteuerungen. Dank der Robustheit der magnetischen Wirbel und ihrer leichten Anregbarkeit ließen sich mit Skyrmionen-Materialien sehr effiziente Mikrowellen-Sender und -Empfänger bauen.

Während die Wellenlänge elektromagnetischer Mikrowellen typischerweise im Bereich von Zentimetern liegt, sind die Wellenlängen magnetischer Spin-Wellen, sogenannter Magnonen, 10000 Mal kürzer. „Aus magnetischen Nanomaterialien wie den Skyrmionen-Materialien ließen sich daher sehr viel kompaktere oder gänzlich neue Bausteine für die Mikroelektronik herstellen“, sagt Prof. Dirk Grundler.

Neben dem Material ist für die elektromagnetischen Eigenschaften auch die Form des Bausteins entscheidend. Auch hier hilft die von den Wissenschaftlern entwickelte Theorie. Mit ihr können die Forscher voraussagen, welche Form bei welchem Material die besten Eigenschaften hervorbringt.

„Chiral-magnetische Materialien versprechen viele neue Funktionalitäten mit interessantem Zusammenspiel von elektronischen und magnetischen Eigenschaften“, sagt Dr. Markus Garst, Physiker am Institut für Theoretische Physik der Universität zu Köln. „Doch für alle Anwendungen ist es unverzichtbar, die Möglichkeiten und Grenzen verschiedener Materialien vorauszusagen. Dem sind wir nun einen entscheidenden Schritt näher gekommen.“

Die Arbeiten wurden unterstützt mit Mitteln des European Research Councils (ERC Advanced Grant), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (TRR 80, SFB 608 und Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich, NIM) sowie der TUM Graduate School.

Publikation:
Universal helimagnon and skyrmion excitations in metallic, semiconducting and insulating chiral magnets: T. Schwarze, J. Waizner, M. Garst, A. Bauer, I. Stasinopoulos, H. Berger, C. Pfleiderer, D. Grundler. nature materials, March 2, 2015. DOI: 10.1038/nmat4223.
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4223.html

Kontakt:
Prof. Dr. Dirk Grundler
Technische Universität München
Lehrstuhl für Physik funktionaler Schichtsysteme (E10)
James-Franck-Str. 1, 85748 Garching, Germany
Internet: www.e10.ph.tum.de
und
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne,
Institut des Matériaux,
1015 Lausanne, Switzerland
E-Mail: dirk.grundler@epfl.ch

Prof. Dr. Christian Pfleiderer
Technische Universität München
Lehrstuhl für Topologie korrelierter Systeme (E21)
E-Mail: christian.pfleiderer@frm2.tum.de
Internet: http://www.e21.ph.tum.de

Dr. Markus Garst
Universität zu Köln
Institut für Theoretische Physik
E-Mail: mgarst@uni-koeln.de
Internet: http://www.thp.uni-koeln.de/rosch/

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