Magnetische Quasipartikel in Multischichten

Magnetische Momente innerhalb eines Festkörpers bevorzugen normalerweise eine gemeinsame Ausrichtung in einem magnetischen Feld. Allerdings ist es möglich durch, spezielle Materialeigenschaften und die richtige Wahl des angelegten magnetischen Feldes Momentanordnungen in speziellen Formen zu erhalten. Ist diese Form der Momente kontinuierlich geschlossen, gilt sie als topologisch geschützt und besonders stabil.

Eine Klasse dieser topologisch geschützten Formen sind magnetische Skyrmionen. "Diese kann man sich als nanometergroße Wirbel vorstellen, die sich innerhalb des Materials wie Teilchen bzw. Quasiteilchen verhalten", erklärt Manfred Albrecht, Professor des Lehrstuhls für Experimentalphysik IV.

Seit gut einem Jahrzehnt sind sie eines der am intensivsten behandelten Forschungsthemen im Magnetismus. Aufgrund ihrer Stabilität und geringen Größe sind sie besonders als Datenträger für Anwendungen vielversprechend. Dabei ist das Konzept einer "Rennstrecke", in der viele Skyrmionen angetrieben von elektrischem Strom hintereinander durch das Material rasen, besonders beliebt – das sogenannte "Race-Track Memory"-Konzept. Um das Potential dieses Konzeptes zu erhöhen, sind verschiedene Skyrmionarten, die wiederum verschiedenen Speicherzuständen entsprechen, besonders interessant (siehe Bild).

Problematisch war dabei bislang sowohl die Erzeugung der verschiedenen exotischeren Skyrmionarten als auch die koexistente Stabilisierung in einem Material. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Universität Augsburg ist nun beides gelungen.

Sie erzeugten erstmals ein Antiskyrmion zweiter Ordnung und beobachteten die Koexistenz von vier verschiedenen Skyrmionarten und einer topologisch trivialen Struktur.

Dank umfassender Simulationen der Universität Wien konnten sie auch den genauen Grund für ihre Entdeckung ausmachen. Die zugrundeliegenden notwendigen Materialeigenschaften können nun auch auf andere Systeme angewandt werden. "Derzeit untersuchen wir weitere Materialsysteme, die genau diese Eigenschaften erfüllen. Inwieweit sich diese Vorhersagen experimentell bestätigen lassen, wird sehr spannend", erklärt Michael Heigl, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl Experimentalphysik IV.