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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.
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 (Titelbild, siehe Abb. 1), 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 (siehe Abb. 2). 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.
Bildunterschriften:
Abbildung 1:
Die Bildung von Skyrmion-Bags durch Laserschüsse wird durch das Design des Anisotropiepotentials ermöglicht, das auf dem Titelbild der Fachzeitschrift Advanced Materials durch die Muffinform symbolisiert wird. Sobald das Rezept entwickelt ist, können die Texturen problemlos „gebacken“ werden. Bildrechte: MBI
Abbildung 2:
Röntgenmikroskopische Aufnahmen der Magnetisierungstexturen, die die verschiedenen Ordnungen von Skyrmionen-Bags zeigen, vom leeren Skyrmionium bis zu einem mit vier Skyrmionen gefüllten Bag. Der Maßstabsbalken beträgt 500 nm. Bildrechte MBI
Kontakt:
Dr. Bastian Pfau
bastian.pfau(at)mbi-berlin.de
+49 30 6392 1321
Prof. Dr. Stefan Eisebitt
stefan.eisebitt(at)mbi-berlin.de
+49 30 6392 1300
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie im Forschungsverbund Berlin e.V.
Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy im Forschungsverbund Berlin e.V.
www.mbi-berlin.de
Bagged: Skyrmions
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
Controlled Formation of Skyrmion Bags
Advanced Materials 37, 2501250 (2025), – First published: 21 April 2025
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501250
https://mbi-berlin.de/research/highlights/details/bagged-skyrmions
https://doi.org/10.1002/adma.202501250
Abb. 1: Die Bildung von Skyrmion-Bags
Copyright: MBI
Abb. 2: Röntgenmikroskopische Aufnahmen der Magnetisierungstexturen
Copyright: MBI/L.M. Kern
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Abb. 1: Die Bildung von Skyrmion-Bags
Copyright: MBI
Abb. 2: Röntgenmikroskopische Aufnahmen der Magnetisierungstexturen
Copyright: MBI/L.M. Kern
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