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Skyrmionen auf unkonventionelle Art scannen

EU-finanzierte Forscher setzten die spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie (spin polarised scanning tunnelling microscopy, SP-STM) in Kombination mit Magnetresonanz ein, um die magnetische Wirbeldrehung und skyrmionische Zustände zu untersuchen und zu messen.
Skyrmionen auf unkonventionelle Art scannen
Am ATOMS-Projekt (Advanced tools to observe magnetic and dynamical properties of skyrmions and vortices down to the atomic scale) beteiligte Forscher haben ein neues Verfahren entwickelt, das die Messung der Magnetisierungsdynamik bis in den Atombereich ermöglicht. Der Einsatz der SP-STM in Kombination mit Magnetresonanz ermöglichte es den Wissenschaftlern, Hochfrequenz-Magnetisierungsdynamiken zu sondieren, bei denen konventionelle STM-Methoden aufgrund von Bandbreiteneinschränkungen versagen.

Das Verfahren umfasste eine kontinuierliche Hochfrequenzspannung (HF), die mit der Vorspannung des STM über eine speziell dafür vorgesehene Übertragungsleitung gemischt wurde. Im Fall einer Magnetisierungspräzession unterhalb der SP-STM-Spitze wurde die Tunnelleitfähigkeit bei der Präzessionsfrequenz moduliert. Danach wurde der Tunnelstrom entsprechend einem ferromagnetischen Resonanzsignal korrigiert und mit konventionellen Instrumenten gemessen. Um die Signalamplitude trotz frequenzabhängiger Kabeleffekte stabil zu halten, mussten die Wissenschaftler den Messplatz im Detail kennen und ihn vorjustieren. Im Ergebnis dessen wurde die Bandbreite des STM auf bis zu 3 GHz erweitert.

Dieses Verfahren wurde zunächst zur Untersuchung der magnetischen Wirbeldrehung, eines Systems mit wohlbekannten Eigenschaften im zugänglichen Frequenzbereich, genutzt. Die Simulationsuntersuchungen ergaben, dass der nötige HF-Strom nur unter extremen Tunnelbedingungen erreichbar war, was zu instabilen Experimenten führte.

Infolgedessen entschieden sich die Wissenschaftler von ATOMS für eine Analyse des Gyrationsmodus magnetischer Skyrmionen. Verglichen mit magnetischen Wirbeln ist der zur Anregung von Skyrmionenzuständen erforderliche HF-Strom sehr gering, wodurch die Experimente beherrschbarer sind.

Zwei Spinstrukturen wurden ausgewählt, eine Eisenmonoschicht auf Iridium (111) (Fe(1 ML)/Ir(111)) und eine Kobaltmonoschicht auf Ruthenium (001) (Co(1ML)/Ru(0001)). Die Untersuchung von Fe(1 ML)/Ir(111) ergab ein Resonanzsignal von 615 MHz.

Überdies ergab die Untersuchung von Co (1 ML)/Ru(0001) im Nullmagnetfeld als Grundzustand eine chirale Spinspirale. Das gilt als die erste experimentelle Beobachtung einer chiralen nichtkollinearen Spinstruktur, die an einer Grenzfläche zwischen einem 4d-Metall und einem 3d-ferromagnetischen Element stabilisiert ist. In beiden Fällen ist die theoretische Arbeit auch nach dem Projektende noch im Gange.

Skyrmionen spielen für zukünftige Anwendungen wie magnetische Speicher und Hochfrequenzbauelemente eine wichtige Rolle, während skyrmionenbasierte Spinübertragungs-Nanooszillatoren bereits vorgeschlagen wurden. Angesichts dieser Technologieentwicklungen geht man davon aus, dass die Abschlussresultate dieses Projekts einen bedeutenden Beitrag zu dem Gebiet darstellen werden.

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Schlüsselwörter

Skyrmion, spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie, magnetische Wirbeldrehung, ATOMS
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