Neue Wechselwirkung zwischen Licht und Materie an BESSY II entdeckt
Ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern schreibt zahlreiche Magnetwirbel, die zusammen en Begriff „MPI-IS“ ergeben. © Alejandro Posada, Felix Groß/MPI-IS
Ein deutsch-chinesisches Team um Gisela Schütz vom MPI für Intelligente Systeme hat an BESSY II eine neue Wechselwirkung zwischen Licht und Materie entdeckt. Es gelang ihnen damit, nanometerfeine magnetische Wirbel in einer magnetischen Schicht zu erzeugen. Dabei handelt es sich um so genannte Skyrmionen, die für künftige Informationstechnologien interessant sind.
Skyrmionen sind 100 Nanometer kleine dreidimensionale Strukturen, die in magnetischen Materialien vorkommen. Sie ähneln kleinen Spulen: atomare Elementarmagnete – sogenannte Spins –, die sich in geschlossenen Wirbelstrukturen anordnen. Skyrmionen sind topologisch geschützt, d. h. in ihrer Form unveränderbar und gelten daher als energieeffiziente Datenspeicher.
Weiches Röntgenlicht an BESSY II
In einer Reihe von Experimenten an der MAXYMUS-Beamline von BESSY II zeigten die Forschenden nun, dass ein gebündelter weicher Röntgenstrahl mit einem Durchmesser von weniger als 50 Nanometern einen Magnetwirbel von 100 Nanometern hervorbringen kann. Um die Skyrmionen sichtbar zu machen, nutzen die Forschenden das Rastertransmissions-Röntgenmikroskop MAXYMUS. Dabei handelt es sich um ein hochauflösendes Röntgenmikroskop, 1,8 Tonnen schwer, das an BESSY II angesiedelt ist.
Entdeckung durch glücklichen Zufall
Diese Entdeckung verdankt sich einem Zufall, denn bisher war diese Art der Interaktion zwischen Licht und Materie völlig unbekannt. „Wir wissen nicht, wie Licht Materie schreibt“, sagt Dr. Joachim Gräfe, Leiter der Forschungsgruppe Nanomagnonik und Magnetisierungsdynamik am MPI-IS. Er ist einer der Hauptautoren der Studie, die im Februar in Nature communications veröffentlicht wurde. „Wir können bestimmte Eigenschaften phänomenologisch beschreiben. Wir wissen, dass es mit dem Röntgenstrahl zu tun hat. Es ist nicht nur ein Energieeintrag wie Wärme, der das Skyrmion schreibt. Es ist wirklich ein resonanter Effekt: wir können die Atome, die für den Magnetismus verantwortlich sind, direkt anregen.“ So konnten er und sein Team „MPI-IS“ schreiben (siehe Abbildung).
Ausblick: Spintronische Datenträger
Die Ergebnisse sind insbesondere für die Entwicklung und Herstellung sogenannter spintronischer Datenträger relevant, die Informationen in Skyrmionen speichern. Sie gelten als energieeffizient und wenig störanfällig. Doch nur, wenn Skyrmione präzise und passgenau kreiert werden können – und das ist nun erstmals möglich geworden – kann diese Entwicklung ihren Lauf nehmen. „Unser Ziel ist es, dass Röntgenstrahlen in Zukunft als Werkzeug dienen, um die Anordnung magnetischer Strukturen zu bestimmen bzw. zu schreiben.“
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- BESSY II: Magnetische „Mikroblüten“ verstärken Magnetfelder im ZentrumEine blütenförmige Struktur aus einer Nickel-Eisen-Legierung, die nur wenige Mikrometer misst, kann Magnetfelder lokal verstärken. Der Effekt lässt sich durch die Geometrie und Anzahl der „Blütenblätter“ steuern. Das magnetische Metamaterial wurde von der Gruppe um Dr. Anna Palau am Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB) mit Partnern aus dem CHIST-ERA MetaMagIC-Projekts entwickelt und nun an BESSY II in Zusammenarbeit mit Dr. Sergio Valencia untersucht. Die Mikroblüten ermöglichen vielfältige Anwendungen: Sie können die Empfindlichkeit magnetischer Sensoren erhöhen, die Energie für die Erzeugung lokaler Magnetfelder reduzieren, und am PEEM-Messplatz an BESSY II die Messung von Proben unter deutlich höheren Magnetfeldern ermöglichen.
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