Forschungsteam gelingt kontrollierte Erzeugung von „Skyrmion Bags“
Die komplexen Strukturen in dünnen ferromagnetischen Materialien sind wichtig für zukünftige spintronische Bauelemente
Einem Forschungsteam vom Max-Born-Institut und kooperierenden Einrichtungen ist es gelungen, komplexe magnetische Texturen, sogenannte Skyrmion-Bags (engl. für Skyrmionen-Taschen), kontrolliert in dünnen ferromagnetischen Schichten zu erzeugen. Skyrmion-Bags sind ringförmige, topologisch aufgeladene Spinstrukturen, die über die bekannten, einzelnen Skyrmionen hinausgehen.
Magnetische Skyrmionen sind nanometergroße, stabile Wirbel in der Magnetisierung mit vielversprechenden Anwendungen in der Spintronik und Datenspeicherung. Ihre einfachsten Formen wurden bereits umfassend erforscht und haben eine runde Gestalt, wobei die Spins von außen nach innen um 180° rotieren. Die Spins im Zentrum sind also entgegengesetzt zu denen außerhalb ausgerichtet. Komplexere Konfigurationen umfassen das sogenannte Skyrmionium, bei dem sich die Spins um 360° drehen. Die Spins im Zentrum des Skyrmioniums haben also die gleiche Ausrichtung wie außerhalb, was zu einer ringförmigen Struktur führt. Bemerkenswert ist, dass dieser Ring dann wieder mit Skyrmionen gefüllt werden kann, was bei einem Skyrmion im Inneren als Target-Skyrmion (engl. für Ziel-Skyrmion) bezeichnet wird, bei mehreren Skyrmionen im Inneren als Skyrmion-Bag. Obwohl solche Konfigurationen höherer Ordnung bereits theoretisch vorhergesagt wurden, war ihre kontrollierte Erzeugung in realen Materialien bislang kaum möglich.
In einer neuen Studie, veröffentlicht in Advanced Materials, zeigt das Team, wie gezielte nanoskalige Modifikationen der magnetischen Eigenschaften des Materials, die durch fokussierte Helium-Ionenbestrahlung eingebracht werden, die Entstehung dieser komplexen Spinstrukturen ermöglichen. Diese lokalen Änderungen der magnetischen Anisotropie sind so gestaltet, dass sich die gewünschten Skyrmion-Bags gezielt mit einzelnen ultrakurzen Laserpulsen erzeugen lassen. Die resultierenden magnetischen Texturen mit Strukturen im Größenbereich unter 100 Nanometern wurden mit einem hochauflösenden Röntgenmikroskop direkt sichtbar gemacht, das mit einem eigens am Max-Born-Institut entwickelten Lasersystem ausgestattet ist.
Die Forschenden zeigen die Erzeugung verschiedenartiger Skyrmion-Bags, vom leeren Skyrmionium bis hin zu Bags, die mit vier Skyrmionen gefüllt sind. Dabei zeigte sich, dass die laserinduzierte Erzeugung deutlich erfolgreicher und reproduzierbarer ist als ein Ansatz, der allein auf einem angelegten Magnetfeld basiert.
Die wiederholbare und konsistente Erzeugung dieser Strukturen ist eine entscheidende Voraussetzung für künftige zeitaufgelöste Experimente zur Untersuchung der Dynamik dieser Skyrmionen höherer Ordnung. Die Arbeit eröffnet einen praktischen Weg, um komplexe Skyrmionen-Zustände in dünnen magnetischen Materialien gezielt zu untersuchen und anzuwenden, was einen wichtigen Schritt in Richtung zukünftiger spintronischer Bauelemente darstellt, die topologische Kontrolle im Nanobereich nutzen.
Publikation:
Controlled Formation of Skyrmion Bags
L.-M. Kern, V. M. Kuchkin, V. Deinhart, C. Klose, T. Sidiropoulos,M. Auer, S. Gaebel, K. Gerlinger, R. Battistelli, S. Wittrock, T. Karaman, M. Schneider, C. M. Günther, D. Engel, I. Will, S. Wintz, M. Weigand, F. Büttner, K. Höflich, S. Eisebitt, and B. Pfau
Advanced Materials 37, 2501250 (2025). URL, DOI oder PDF
Kontakt:
Dr. Lisa-Marie Kern
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie
+49 30 6392-1343
lisa-marie.kern(at)mbi-berlin.de
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MBI-Pressemitteilung vom 25.07.2025