Ein schwer zu beschreibendes Nanoobjekt namens magnetisches Skyrmion könnte eines Tages neue mikroelektronische Geräte hervorbringen, die viel mehr leisten können – beispielsweise riesige Datenmengen speichern – und dabei viel weniger Strom verbrauchen.
Doch um Skyrmionen jemals zuverlässig in Rechengeräten, darunter auch Quantencomputern, einsetzen zu können, müssen Forscher sie noch genauer verstehen. Peter Fischer, leitender Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des Energieministeriums, leitete ein Projekt zur Erstellung von 3D-Röntgenbildern von Skyrmionen, mit denen sich die Ausrichtung der Spins im gesamten Objekt charakterisieren oder messen lässt. „Unsere Ergebnisse bilden die Grundlage für die Nanometertechnik für Spintronikgeräte“, sagte Fischer. Die Arbeit wurde kürzlich in Science Advances veröffentlicht .
Man kann sich magnetische Skyrmionen wie rotierende Magnetkreise vorstellen, erklärt David Raftrey, ein studentischer Forscher in Fischers Team, der der Hauptautor dieser Studie war. Im Zentrum zeigt der magnetische Spin nach oben, während sich der Magnetismus vom Zentrum weg dreht und nach unten zieht. Darüber hinaus sind Skyrmionen stabil, klein, schnell und entfalten sich nicht leicht, eine Eigenschaft, die Materialwissenschaftler als „topologisch“ bezeichnen.
Diese Spinrichtungen sind ein Teil der Attraktivität von Skyrmionen, da sie zum Übertragen und Speichern von Informationen verwendet werden könnten, ähnlich wie Elektronen in aktuellen Geräten Informationen übertragen und speichern. „Wenn man sich jedoch wie heute auf die Ladung des Elektrons verlässt, geht unvermeidlich Energie verloren. Bei Verwendung von Spins sind die Verluste deutlich geringer“, sagte Fischer.
Das theoretische Wissen über Skyrmionen beruhte jedoch auf ihrer Beschreibung als 2D-Objekte. In der realen Welt der Elektronik und der Siliziumscheiben – egal wie dünn – müssen Skyrmionen als 3D-Objekte behandelt werden. Um Skyrmionen nutzbar zu machen oder vielleicht eines Tages maßgeschneiderte Skyrmionen zu synthetisieren, müssen Forscher in der Lage sein, ihre Spineigenschaften im gesamten 3D-Objekt zu untersuchen und zu verstehen.
Wenn man einen magnetischen Skyrmionenstrudel von oben betrachtet und beginnt, Schichten abzuschneiden, könnte man meinen, dass jede Schicht nach der anderen gleich wäre. „Aber das ist nicht der Fall“, sagte Raftrey. „Und wir sagten: Okay, wie können wir das in den Griff bekommen? Wie demonstrieren wir das tatsächlich?“
Raftrey nahm eine dünne magnetische Schicht, die von Kollegen von Western Digital synthetisiert wurde, und strukturierte daraus mithilfe der Nanofabrikationsanlage der Molecular Foundry eine Nanodisk. Um 3D-Tomographiebilder zu erhalten, reiste er in die Schweiz, um dort an einer Mikroskopie-Strahllinie der Swiss Light Source eine neuartige Bildgebungstechnik namens magnetische Röntgenlaminographie anzuwenden.
Mithilfe der Röntgenlaminographie „kann man [das Skyrmion] im Grunde aus diesen vielen, vielen Bildern und Daten neu konfigurieren und rekonstruieren“, sagte Raftrey. Dieser Prozess dauerte Monate und führte schließlich zu einem besseren Verständnis der Spinstrukturen der Skyrmionen.
