Skyrmionen

Mithilfe von Wirbeln in magnetischen Materialien lassen sich Daten bald vielleicht nicht nur platzsparender, sondern auch deutlich energieeffizienter speichern und verarbeiten. Franziska Konitzer sprach für unseren Podcast mit Christian Pfleiderer von der TU München, der an solchen Wirbelstrukturen, sogenannten Skymionen, forscht. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Vom raumfüllenden Großrechner über den Desktop-Computer bis hin zum handlichen Laptop: Rechner werden nicht nur immer kleiner, sondern auch schneller und effizienter. Damit sich diese Entwicklung auch in Zukunft fortsetzt, müssen Daten künftig noch schneller geschrieben und ausgelesen werden. Weltweit suchen Forscher nach geeigneten Lösungen. Ein potenzieller Kandidat für die Speichereinheiten der Zukunft sind Skyrmionen – stabile Wirbel in magnetischen Materialien. Christian Pfleiderer von der TU München erklärt, wie man sich ein Skyrmion vorstellen kann.

Christian Pfleiderer

„Ein ganz einfaches Bild ist ein Tennisball. An einem Tennisball stehen die Härchen sozusagen nach außen ab. Wenn man jetzt versucht, den Tennisball so zu kämmen, dass man keinen Wirbel bekommt, geht das nicht. Was das Skyrmion also auszeichnet, ist die Tatsache, dass man so einen Wirbel auf dem Tennisball nachher einfach nicht los wird – der Tennisball besitzt eine topologische Eigenschaft. Die Skyrmionen, die uns jetzt in unseren Arbeiten im Magnetismus interessieren, kann man sich so vorstellen, dass sie eine stereografische Projektion von so einem behaarten Tennisball auf eine zweidimensionale Ebene sind.“

Die Forschungsgruppe um Christian Pfleiderer hat die Skyrmionen erstmals 2009 experimentell nachgewiesen – und zwar in Mangansilizium, bei einer Temperatur von minus 245 Grad Celsius. Ein Gitter dieser Wirbel wird erzeugt, indem man ein kleines Magnetfeld an Mangansilizium anlegt. Die Härchen des Tennisballs werden dann im magnetischen Material durch die magnetischen Momente der Atome gebildet.

„Im einfachsten Bild stellt jedes Atom einen kleinen Elementarmagneten dar. Das heißt, auf dem Atom sitzt ein kleiner Pfeil. Die Richtungen dieser Pfeile sind die magnetischen Momente, und diese machen jetzt einen Wirbel aus. Und der Wirbel geht von einer Richtung parallel zum Magnetfeld am Rand des Wirbels über zu einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld in der Mitte des Wirbels.“

Die Entdeckung der Skyrmionen war eher ein glücklicher Zufall. Es hat Monate gedauert, bis die Forscher wirklich verstanden hatten, was genau sie da eigentlich beobachten – doch dann war die Aufregung groß. Seit drei Jahren sind die Skyrmionen nun bekannt und das Forschungsinteresse wuchs rapide. Inzwischen ist es möglich, einzelne Skyrmionen zu erzeugen, sie auf Oberflächen anzuordnen oder sogar ganz ohne äußeres Magnetfeld entstehen zu lassen. Zudem hat man Skyrmionen mittlerweile nicht nur in Mangansilizium gefunden, sondern auch in anderen Materialien.

„Im Moment untersuchen wir systematisch verschiedene Materialien auf Pinning- und Verunreinigungseffekte sowie die Rolle, welche die Größe des Skyrmionengitters spielt. In leicht dotierten Materialien sehen wir beispielsweise riesengroße Effekte. In unseren ersten Experimenten mussten wir die Effekte hingegen aus unseren Daten herauskitzeln.“

Ein Skyrmion ist sehr klein. In Mangansilizium hat es einen Durchmesser von etwa zwanzig Nanometern. Die Größe könnte für den Bau von Datenträgern interessant werden. Denn es ist nicht nur wichtig, dass das eigentliche Bauteil möglichst klein gehalten wird – es geht vor allem darum, dass die Information selbst auf einem möglichst kleinen Raum gespeichert wird. Die Maßeinheit der Information ist das Bit, wobei ein Bit zwei Zustände darstellen kann – zum Beispiel Null und Eins. Gegenwärtige Festplatten benötigen eine Million Atome, um ein Bit an Information zu speichern. Ein einzelnes Skyrmion könnte dieselbe Aufgabe übernehmen, wäre mit einer Größe von ungefähr 15 Atomen aber extrem platzsparend. Deshalb ist es möglich, dass die magnetischen Wirbel eines Tages für die Industrie im Bereich der Spintronik relevant werden.

„In der Spintronik geht es darum, neue elektronische Bauteile zu bauen, in denen eben nicht nur die elektrische Ladung des Elektrons genutzt wird, sondern auch dessen Spin – also in dem Sinne ein kleines magnetisches Moment.“

Skyrmionengitter

Diese Animation zeigt, wie Elektronen ein Skyrmionengitter beeinflussen.

Solche neuen Bauteile sind unsere heutigen Festplatten – die Spintronik ermöglicht es, Daten sehr viel schneller auszulesen als bei älteren Modellen.

„Das ist 2007 durch den Nobelpreis für Grünberg und Fert gewürdigt worden und ist inzwischen natürlich hochgradig relevant für unsere Computer, also für Leseköpfe und Ähnliches. Hierbei haben die magnetischen Eigenschaften einen Einfluss auf den elektrischen Strom.“

Bei den Skyrmionen hingegen verändert der elektrische Strom die magnetischen Eigenschaften des Materials. Prinzipiell ist es so möglich, Informationen durch elektrischen Strom direkt in das Material zu schreiben: indem man die Skyrmionen bewegt. Da hierzu nur extrem niedrige Stromstärken erforderlich sind, ließe sich verglichen mit derzeitigen Verfahren viel Energie sparen. Vor Kurzem hat das Team um Christian Pfleiderer eine Methode entwickelt, mit der die Skyrmionen rein elektronisch im Material bewegt und untersucht werden können. Die Windungszahl des Skyrmionenwirbels erzeugt dabei ein fiktives Magnetfeld. Bewegt sich dieses Magnetfeld, so erzeugt es ein elektrisches Feld – und dieses kann gemessen werden. Momentan handelt es sich zwar um reine Grundlagenforschung, doch vielleicht lassen sich Musik, Filme oder Bilder irgendwann einmal in Skyrmionen speichern.