Glücksfall im Forschungsfeld Magnetismus

Glücksfall im Forschungsfeld Magnetismus

Physik-News vom 21.04.2020

Ein deutsch-chinesisches Forscherteam entdeckt einen neuen Effekt, mit dem es erstmals möglich ist, kleinste magnetische Strukturen, sogenannte Skyrmione, direkt mit einem Röntgenstrahl zu kreieren. Dadurch haben die Wissenschaftler die Möglichkeit eröffnet, mit höchster Präzision beliebige magnetische Muster zu schreiben.

Mithilfe weicher Röntgenstrahlen konnten deutsche Forscher des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart zusammen mit chinesischen Forschern unter anderem der Chinese Academy of Sciences erstmals einzelne Skyrmione in einer magnetischen Schicht kreieren. In zahlreichen Experimenten zeigten sie, dass ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern einen Magnetwirbel von 100 Nanometern – der kleinsten möglichen Größe – hervorbringen kann. Zufall, denn bisher wusste kein einziger Wissenschaftler der Welt, dass es diese Interaktion zwischen Licht und Materie gibt. Die Forschungsarbeit „Creating zero-field skyrmions in exchange-biased multilayers through X-ray illumination“ wurde im Februar im renommierten Fachjournal Nature Communications veröffentlicht. An ihr beteiligt sind das MPI-IS, die Chinese Academy of Sciences, das Songshan Lake Materials Laboratory in Guangdong, und die Lanzhou University.


Ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern schreibt zahlreiche Magnetwirbel, die zusammen en Begriff „MPI-IS“ ergeben.

Publikation:


Yao Guang, Iuliia Bykova, Yizhou Liu, Guoqiang Yu, Eberhard Goering, Markus Weigand, Joachim Gräfe, Se Kwon Kim, Junwei Zhang, Hong Zhang, Zhengren Yan, Caihua Wan, Jiafeng Feng, Xiao Wang, Chenyang Guo, Hongxiang Wei, Yong Peng, Yaroslav Tserkovnyak, Xiufeng Han & Gisela Schütz
Creating zero-field skyrmions in exchange-biased multilayers through X-ray illumination
Nature Communications volume 11, Article number: 949 (2020)

DOI: 10.1038/s41467-020-14769-0



„Wir wissen nicht, wie Licht Materie schreibt“, sagt Dr. Joachim Gräfe, Leiter der Forschungs¬gruppe Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik am MPI-IS. Er ist einer der Hauptautoren der Studie. „Wir können bestimmte Eigenschaften phänomenologisch beschreiben. Wir wissen, dass es mit dem Röntgenstrahl zu tun hat. Es ist nicht nur ein Energieeintrag wie Wärme, der das Skyrmion schreibt. Es ist wirklich ein resonanter Effekt: wir können die Atome, die für den Magnetismus verantwortlich sind, direkt anregen.“ So konnten er und sein Team „MPI-IS“ schreiben, wie auf einem Bild zu sehen ist (siehe Abbildung).

Skyrmionen sind 100 Nanometer kleine dreidimensionale Strukturen, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie ähneln kleinen Spulen: atomare Ele¬mentarmagnete – sogenannte Spins –, die sich in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Skyrmionen sind topo¬logisch geschützt, d. h. in ihrer Form unveränderbar und gelten daher als energieeffiziente Datenspeicher.



Einen völlig neuen Effekt zu entdecken ist ein Glücksfall, von denen Wissenschaftler im Laufe ihrer Karriere nur wenige, vielleicht niemals einen erleben. „Das ist mit das spannendste Skyrmion-Projekt, das wir in den vergangenen Jahren umgesetzt haben“, so Gräfe weiter. „Wir haben einen neuen Effekt entdeckt – völlig unerwartet und überraschend für uns.“ Dank der Forschungsarbeit könne nun praktisch jedermann mit einem Röntgenstrahl verschiedenste Skyrmionen-Anordnungen in magnetischen Schichten schreiben. Das werde mehrere völlig neue Forschungsfelder erschließen. Zielgenau magnetische Strukturen schreiben zu können, eröffne völlig neue Möglichkeiten.

Die Ergebnisse sind insbesondere für die Entwicklung und Herstellung soge¬nannter spintronischer Datenträger relevant, die Informatio¬nen in Skyrmionen speichern. Sie gelten als sehr energieeffizient und wenig störanfällig. Doch nur, wenn Skyrmione präzise und passgenau kreiert werden können – und das ist nun erstmals möglich geworden – kann diese Entwicklung ihren Lauf nehmen. „Unser Ziel ist es, dass Röntgenstrahlen in Zukunft als Werkzeug dienen, um die Anordnung magnetischer Strukturen zu bestimmen bzw. zu schreiben.“


Info
Rastertransmissions-Röntgenmikroskop MAXYMUS

Um Skyrmion sichtbar zu machen, nutzen die Forscher ein Rastertransmissions-Röntgenmikroskop: MAXYMUS, ein hochauflösendes Röntgenmikroskop, 1,8 Tonnen schwer, angesiedelt am BESSY II, einer 80 Meter breiten Synchrotronstrahlungsquelle des Helmholtz-Zentrums Berlin in Adlershof. MAXYMUS steht für „MAgnetic X-raY Micro- and UHV Spectroscope“.

Das Mikroskop ist wie eine Kamera: Es verfolgt in Zeitlupenfilmen, wie sich die Struktur in Materialien auf der Größe nur weniger Nanometer ändert. Das Besondere an diesem Rasterröntgenmikrospektroskop ist sein breites Anwendungsspektrum – etwas, das viele der weltweit führenden Forscherinnen und Forscher anzieht. Es gibt weit mehr Anträge, an Maxymus forschen zu wollen, als es die Kapazität hergibt. Das zeige, wie attraktiv die Arbeit mit dem Mikroskop sei, so Gräfe. Toll sei auch, dass mit Maxymus viele gemeinsame Projekte möglich gemacht werden.

Diese Newsmeldung wurde mit Material des Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme via Informationsdienst Wissenschaft erstellt



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Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
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Atom- und Molekülspektren im extremen Magnetfeld von Weißen Zwergen werden berechenbar
Neue quantenchemische Methode schafft Grundlagen zur Identifikation von Atomen und Molekülen im Magnetfeld von Weißen Zwergen
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Mit einer neuen Methode lässt sich erstmals erfassen, wie sich das elektrische Feld von schwacher Strahlung bewegt
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Astrophysik - Elektrodynamik
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Astrophysik - Elektrodynamik
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Wissenschaftler haben mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) am Rand des Ereignishorizonts eines supermassereichen Schwarzen Lochs ein extrem starkes Magnetfeld aufgespürt, das alle bisher im Zentrum einer Galaxie gemessenen Felder in den Schatten stellt.
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Astrophysik - Elektrodynamik
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Magnetfeld auf dem Mond ist Überbleibsel eines uralten Kerndynamos
Eine internationale Simulations-Studie unter Beteiligung von Forschenden des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ in Potsdam zeigt, dass alternative Phänomene wie Asteroiden-Einschläge keine ausreichend großen Magnetfelder erzeugen.
13.10.2020
Quantenphysik - Quantenoptik
Meilenstein in der Quantenphysik: Physikern gelingt der kontrollierte Transport von gespeichertem Licht
Patrick Windpassinger und sein Team demonstrieren, wie sich in einer Wolke aus ultrakalten Atomen gespeichertes Licht über ein "optisches Förderband" transportieren lässt.
13.10.2020
Sonnensysteme - Planeten - Astrobiologie
Erdähnliche Planeten besitzen oft einen Bodyguard
Eine Gruppe von Astronomen hat ermittelt, dass die Anordnung von Gesteins-, Gas- und Eisplaneten in Planetensystemen offenbar nicht zufällig ist und von nur wenigen Anfangsbedingungen abhängt.
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Sterne - Schwarze_Löcher
Tod durch Spaghettisierung: Die letzten Momente eines von einem schwarzen Loch verschlungenen Sterns
Astronomen haben mit Teleskopen der Europäischen Südsternwarte (ESO) und anderer weltweit tätiger Organisationen einen seltenen Lichtblitz von einem Stern entdeckt, der von einem supermassereichen schwarzen Loch zerrissen wird.
12.10.2020
Planeten - Satelliten
Neues Wasservorkommen auf dem Mars entdeckt
Ein internationales Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter Beteiligung der Jacobs University Bremen hat Hinweise auf die Existenz mehrerer Gewässer gefunden, die unter der Südpolkappe des Mars verborgen sind.
12.10.2020
Teilchenphysik
Wenn Mensch und Maschine dieselbe Idee haben
Über Iridiumoxid muss man völlig anders nachdenken als bisher – zu diesem Ergebnis kam nun sowohl ein menschliches Forschungsteam als auch ein Machine Learning Algorithmus.
07.10.2020
Optik - Quantenphysik
Intelligente Nanomaterialien für Photonik
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