Neuer magnetischer Zustand entdeckt
Skyrmionen für künftige, hochdichte Datenspeicher
Eine bisher unbekannte Form des Magnetismus in atomar dünnen Materialschichten haben Forscher der Universität Stuttgart nachgewiesen. Diese Entdeckung könnte den Weg zur Entwicklung neuer, hochdichter Datenspeicher öffnen.
Außerdem tragen die Ergebnisse dazu bei, die Grundlagen der magnetischen Wechselwirkungen in zweidimensionalen Systemen besser zu verstehen.
»Mit stetig ansteigenden Datenmengen müssen künftige magnetische Speichermedien in der Lage sein, Informationen zuverlässig in immer höheren Dichten zu speichern«, sagt Professor Jörg Wrachtrup, Leiter des Zentrums für Angewandte Quantentechnologie (ZAQuant) an der Universität Stuttgart, dessen Gruppe das Projekt leitete. »Unsere Ergebnisse sind daher für Datenspeichertechnologien der nächsten Generation von unmittelbarer Relevanz. Gleichzeitig sind sie von grundlegender Bedeutung, da sie neue Einblicke in magnetische Wechselwirkungen in atomar dünnen Materialien geben.«
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Das internationale Team entdeckte einen neuen magnetischen Zustand, der in einem System aus vier atomar dünnen Schichten Chromiodid auftritt. »Wir können diesen Magnetismus selektiv steuern, indem wir die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in den einzelnen Schichten abstimmen«, erklärt Dr. Ruoming Peng, Postdoc am 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart, der die Experimente am ZAQuant gemeinsam mit dem Promovenden King Cho Wong durchgeführt hat. »Besonders bemerkenswert ist dabei, dass die beobachteten magnetischen Eigenschaften gegenüber Umgebungseinflüssen robust sind.«
2D-Materialien zeigen seltsames magnetisches Verhalten
Das in der Studie untersuchte Chromiodid gehört zur Klasse der zweidimensionalen (2D) Materialien-Systeme, die aus nur wenigen in einem Kristallgitter angeordneten Atomschichten bestehen. Es ist seit langem bekannt, dass 2D-Materialien Eigenschaften aufweisen können, die sich grundlegend von denen ihrer dreidimensionalen Gegenstücke unterscheiden.
Skyrmionen – winzige magnetische Informationsträger
Durch leichtes Verdrehen zweier Chromiodid-Doppelschichten gegeneinander erzeugten die Stuttgarter Forschenden einen neuartigen magnetischen Zustand. »Im Gegensatz dazu weist eine nicht verdrehte Doppelschicht kein externes Magnetfeld auf, wie frühere Untersuchungen zeigten«, so Peng. Durch die Verdrehung entstehen sogenannte Skyrmionen – nanoskalige, topologisch geschützte magnetische Strukturen, die zu den kleinsten und stabilsten Informationsträgern gehören, die in magnetischen Systemen bekannt sind. Zum ersten Mal gelang es dem Team, Skyrmionen in einem verdrehten zweidimensionalen magnetischen Material zu erzeugen und direkt nachzuweisen.
Quantensensorik - ein entscheidendes Element
Den neuen magnetischen Zustand zu erkennen, stellte eine große experimentelle Herausforderung dar, weil die damit verbundenen Signale außerordentlich schwach sind. Zur Lösung dieses Problems setzten die Forschenden ein hochspezialisiertes Mikroskop ein, das auf Quantensensorik-Techniken beruht. Das Verfahren nutzt Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamanten, deren physikalische Prinzipien in den letzten zwei Jahrzehnten am ZAQuant umfassend entwickelt und verfeinert wurden.
Die Theorie muss noch verfeinert werden
Über ihre technologische Relevanz hinaus tragen die Ergebnisse wesentlich zum theoretischen Verständnis des kollektiven Elektronenverhaltens in atomar dünnen magnetischen Systemen bei. »Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen, dass bestehende theoretische Modelle verfeinert werden müssen, um die beobachteten Phänomene vollständig zu beschreiben«, sagt Wrachtrup.
Neben der Universität Stuttgart waren Forschungseinrichtungen aus Großbritannien, Japan, den USA und Kanada an dem Projekt beteiligt. Die theoretische Modellierung und die numerischen Simulationen wurden von Forschenden der Universität Edinburgh durchgeführt.
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