Echtzeitmessungen zeigen, dass sich antiferromagnetische Skyrmionen in Übereinstimmung mit einem angelegten Strom bewegen.

Durch Echtzeit-Messungen von Forschern der Johannes Gutenberg Universität Mainz wurde herausgefunden, dass sich antiferromagnetische Skyrmionen in direkter Ausrichtung mit einem angelegten elektrischen Strom bewegen. Diese Entdeckung, die in Nature Physics veröffentlicht wurde, markiert einen bedeutenden Fortschritt im Verständnis des Verhaltens dieser magnetischen Strukturen, die für zukünftige spintronische Anwendungen vielversprechend sind.

Die Experimente wurden von Mona Bhukta, einer Forscherin im Labor von Professor Mathias Kläui am JGU Institute of Physics, durchgeführt. Die Studie konzentrierte sich auf antiferromagnetische Skyrmionen, die sich sowohl in der Struktur als auch in der Reaktion auf äußere Reize von ihren ferromagnetischen Pendants unterscheiden. Im Gegensatz zu ferromagnetischen Skyrmionen, die den Skyrmion-Hall-Effekt aufweisen, ein Phänomen, bei dem sie von der Stromrichtung abweichen, zeigte die antiferromagnetische Variante eine konsistente lineare Bewegung. Dieser Befund deutet darauf hin, dass antiferromagnetische Materialien eine überlegene Kontrolle über die Bewegung von Skyrmionen bieten könnten, wodurch sie für Hochgeschwindigkeits- und hochdichte Datenspeicher- und Verarbeitungstechnologien besser geeignet sind.

Skyrmionen wurden aufgrund ihrer geringen Größe, Stabilität und der Fähigkeit, über elektrische Ströme manipuliert zu werden, als potenzieller Ersatz für traditionelle magnetische Bits in Speichergeräten angesehen. Der Skyrmion-Hall-Effekt war jedoch historisch eine Herausforderung, die ihre Effizienz in realen Anwendungen einschränkte. Frühere theoretische Modelle deuteten darauf hin, dass dieser Effekt in antiferromagnetischen Systemen nicht auftreten würde, aber die experimentelle Bestätigung blieb bis jetzt schwer fassbar.

Um die Experimente durchzuführen, erzeugten die Forscher ein dichtes Gitter aus interagierenden Skyrmionen, um sicherzustellen, dass ihre relativen Positionen während der Bewegung fest blieben. Durch die Anwendung kurzer elektrischer Stromimpulse induzierten sie Bewegung über das Gitter und zeichneten die Flugbahn einzelner Skyrmionen auf. Die Ergebnisse zeigten, dass jeder Skyrmion einem geraden Pfad folgte, der mit dem Strom ausgerichtet war, was die Abwesenheit des Skyrmion-Hall-Effekts in antiferromagnetischen Systemen bestätigt. Diese Konsistenz in der Bewegung ist entscheidend für die Entwicklung skalierbarer spintronischer Geräte, die sich auf das vorhersehbare Verhalten von Tausenden von gleichzeitig arbeitenden Skyrmionen verlassen.

In einem separaten Experiment nutzte das Team niedrigere Stromdichten, um zu beobachten, wie das Skyrmiongitter auf schwächere Reize reagierte. Sie erfassten die Bewegung des Gitters mit einer Präzision von Nanosekunden und erstellten eine detaillierte Visualisierung der dynamischen Wechselwirkungen zwischen bewegten und stationären Skyrmionen. Die Forscher stellten fest, dass einige mobile Skyrmionen aufgrund lokaler Materialfehler von nahe gelegenen, immobilisierten Skyrmionen angezogen wurden. Nach Beendigung des Stroms zogen diese mobilen Skyrmionen zurück und gaben Einblick in die Kräfte, die ihre Bewegung beeinflussen.

Die Arbeit wurde von der BESSY II-Anlage am Helmholtz-Zentrum Berlin unterstützt, wo das Team eine zeitaufgelöste Röntgenmikroskopie zur Verfolgung der Bewegungen der Skyrmionen durchführte. Diese Beobachtungen bestätigen nicht nur theoretische Erwartungen, sondern eröffnen auch neue Wege für die Entwicklung effizienterer und zuverlässigerer Spintronikgeräte.