Ein internationales Forscherteam hat erstmals Quasiteilchen namens Meronen in einem synthetischen Antiferromagneten identifiziert. Das Ergebnis könnte zu neuen Konzepten für Spintronikgeräte führen, die das magnetische Moment oder den Spin des Elektrons nutzen, um Informationen zu speichern und zu verarbeiten.

Auf diese Weise wollen Wissenschaftler die Elektronenspins ausnutzen, da Spintronik-basierte Computerspeicher schneller und kompakter wären als heutige rein elektronische Geräte. Auf die Frage, wie man solche Geräte am besten bauen kann, gibt es noch keine endgültige Antwort, aber viele neuere Forschungen haben sich auf Strukturen namens Skyrmionen als potenzielle Bausteine ​​konzentriert. Bei diesen Strukturen handelt es sich um Quasiteilchen, die aus zahlreichen Elektronenspins bestehen und die man sich als zweidimensionale Wirbel (oder „Spintexturen“) innerhalb eines Materials vorstellen kann.

Skyrmionen kommen in vielen magnetischen Materialien vor, darunter Kobalt-Eisen-Silizium und die Mangan-Silizid-Dünnfilme, in denen sie erstmals entdeckt wurden. Sie sind attraktive Kandidaten für die Spintronik, da sie robust gegenüber äußeren Störungen sind und daher besonders stabil für die Speicherung und Verarbeitung der darin enthaltenen Informationen sind. Mit einem Durchmesser von nur einigen zehn Nanometern sind sie außerdem viel kleiner als die magnetischen Domänen, die zum Kodieren von Daten in heutigen Festplattenlaufwerken verwendet werden, was sie ideal für zukünftige Datenspeichertechnologien wie „Rennstrecken“-Speicher macht.

Merone bestehen wie Skyrmionen aus zahlreichen einzelnen Spinn. Im Gegensatz zu ihnen sind ihre Streumagnetfelder winzig, was ultraschnelle Vorgänge und noch höhere Informationsspeicherdichten innerhalb eines Geräts ermöglichen würde. Bisher wurden Merone jedoch nur in natürlichen Antiferromagneten beobachtet, wo sie sich als schwierig zu analysieren und zu manipulieren erwiesen.

Minimale magnetische Nettomomente

Forscher bei Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) in Deutschland; Tohoku Universität, Japan; und das ALBA Synchrotronlichtanlage in Spanien haben nun Merone in synthetischen Antiferromagneten identifiziert, die aus mehrschichtigen Stapeln miteinander gekoppelter einzelner ferromagnetischer Schichten bestehen. Im Gegensatz zu natürlichen Antiferromagneten können diese synthetischen Materialien mithilfe etablierter Techniken wie der Sputter-Abscheidung gut kontrolliert hergestellt werden.

Diese hervorragende Kontrolle ermöglichte es dem Team, die Interaktion der verschiedenen Schichten anzupassen und dadurch ihre magnetischen Nettomomente zu minimieren. Dadurch ergeben sich Systemvorteile sowohl von Antiferromagneten (bei denen sich die Elektronenspins tendenziell antiparallel zueinander ausrichten) als auch von Ferromagneten (die parallele Elektronenspins haben). Beispiele hierfür seien nicht nur geringe magnetische Streufelder, sondern auch stabile homochirale Texturen und schnelle Spindynamik innerhalb einer polykristallinen Umgebung, erklärt Mona Bhukta, Doktorandin an der JGU und Co-Leiterin der Studie.

„In unserer Arbeit ist es uns gelungen, diese Spintexturen in synthetischen Antiferromagneten mit einer sehr kleinen Easy-Plane-Anisotropie zu stabilisieren (so dass die bevorzugte Ausrichtung der Magnetisierung in der Filmebene liegt) und ihre komplizierten Strukturen durch die Kombination mehrerer Bildgebungsmethoden abzubilden.“ Sagt Buchta. Zu den verwendeten Methoden gehörten Magnetkraftmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse sowie elementspezifische Photoemissionselektronenmikroskopie mittels röntgenmagnetischem Zirkulardichroismus.

Dank dieser Bildgebungstechniken identifizierte das Team mehrere unterschiedliche Spintexturen im gestapelten Material. Dies war nicht einfach, da die Forscher die Quasiteilchen so abbilden mussten, dass alle drei Komponenten des Magnetisierungsvektors aufgelöst wurden, bevor sie das Vorhandensein von Meronen eindeutig nachweisen konnten. Die Forscher entwickelten außerdem ein analytisches Modell, um die Mechanismen aufzuklären, die solche Strukturen in ihrem System stabilisieren. Das Ziel in diesem Fall bestand darin, die optimale Dicke jeder Schicht zu bestimmen und die besten „Wirtsmaterialien“ für Merone zu identifizieren.

Es wurden auch verwandte Strukturen beobachtet

Neben der Identifizierung von Meronen beobachtete das Team auch verwandte Strukturen wie Antimeronen und topologisch stabilisierte Bimeronen in ihren synthetischen Antiferromagneten. Anders als bei Skyrmionen seien die Richtung der Nettomagnetisierung und das von Bimeronen erzeugte Emergenzfeld orthogonal zueinander, erklärt Bhukta.

„Diese charakteristische Eigenschaft ermöglicht es uns beispielsweise, den topologischen Hall-Effekt mithilfe der Meron-Spin-Texturen direkt zu untersuchen und zu manipulieren“, erzählt sie Physik-Welt. Dieser Effekt tritt auf, wenn Elektronen in Gegenwart eines Magnetfelds durch einen Leiter fließen. Das angelegte Magnetfeld übt eine seitliche Kraft auf die Elektronen aus, was zu einer Spannungsdifferenz führt, die proportional zur Stärke des Feldes ist. Verfügt der Leiter über ein inneres Magnetfeld oder eine magnetische Spintextur, wirkt sich dies auch auf die Elektronen aus.

„Die Hall-Signale von Bimeronen bieten ein direktes Mittel zur Erkennung und Quantifizierung der Topologie und bieten uns die spannende Möglichkeit, auf magnetischer Topologie basierende Technologien zu entwickeln, bei denen die Topologie als Informationsträger dient“, sagt Bhukta.

Die Forscher, die ihre Arbeit im Detail beschreiben Nature Communications veröffentlicht , planen nun, die Wechselwirkung zwischen Meronen und externen Magnetfeldern und elektrischen Strömen zu untersuchen. „Wir möchten auch untersuchen, wie sie untereinander interagieren“, sagt Bhukta.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/quasiparticles-called-merons-appear-in-a-synthetic-antiferromagnet-for-the-first-time/