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Dresdner hoffen auf Nano-Magnetwirbel für neue Datenchips

Axel Lubk (links) und seine Kollegen Daniel Wolf (Mitte), Sebastian Schneider (rechts). Foto: IFW

Axel Lubk (links) und seine Kollegen Daniel Wolf (Mitte), Sebastian Schneider (rechts). Foto: IFW

Physiker Lubk hat erstmals Skirmionen in 3D sichtbar gemacht – im Sommer wird er Elektronenoptik-Professor an der TU Dresden

Dresden, 30. Mai 2022. Physiker liebäugeln seit geraumer Zeit mit der Idee, Daten künftig nicht in Silizium-Minischaltern, sondern in wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) kleinen Magnetwirbeln abzuspeichern und weiterzuverarbeiten. Einem Forschungsteam um den Dresdner Mikroskopie-Experten Dr. Axel Lubk vom Quantenphysik-Exzellenzzentrum „Ct.qmat“ ist es nun erstmals gelungen, diese sogenannten „Skirmionen“ dreidimensional sichtbar zu machen. Die „Europäische Gesellschaft für Mikroskopie“ (EMS) hat das Quantenkollektiv dafür kürzlich mit dem „Outstanding Paper Award 2021 für Materialwissenschaft“ ausgezeichnet. Das haben die TU Dresden und das Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden mitgeteilt, die gemeinsam Dr. Lubk ab August zum Professor für Elektronenoptik berufen wollen.

Ursprünglich nur ein Theoriekonstrukt

Skirmionen waren ursprünglich ein rein theoretisches Konstrukt, mit dem der Brite Tony Skyrme ursprünglich starke Kräfte erklären wollte, die zwischen Protonen, Neutronen und anderen Teilchen wirken. Später übertrug die Physikergemeinde dieses Konzept auf winzig kleine Magnetwirbel. Erste Nachweise dieser Wirbel gelangen 2009. Rund zehn Jahre später konnte das Team um Dr. Lubk diese Skirmionen auch dreidimensional mit einem Transmissionselektronen-Mikroskop in einer Probe aus Eisengermanium bildlich aufgenommen.

Professor Matthias Vojta ist Sprecher für das Exzellenz-Cluster "Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien" in Dresden Foto: Heiko Weckbrodt

Professor Matthias Vojta ist Sprecher für das Exzellenz-Cluster „Komplexität und Topologie in Quantenmaterialien“ in Dresden Foto: Heiko Weckbrodt

„Meilenstein für die Festkörperphysik“

„Die dreidimensionale Abbildung ist ein echter Meilenstein für die Festkörperphysik“, betonte Ct.qmat-Sprecher Prof. Matthias Vojta. „Erstmals konnten wir sehen, wie verbogen diese Wirbelstürme sind und wie sie sich gegenseitig beeinflussen.“ Dabei habe sich auch herausgestellt, dass die Skirmionen eher wie Schläuche als wie ein Tornado aussehen. „Die Skyrmionenschläuche bewegen sich wie Wirbelstürme im Material“, berichtete Dr. Lubk. „Und wenn ihnen ein anderer Wirbelsturm zu nah kommt, verändern sie sich.“

Die eingefärbte Darstellung zeigt Skyrmionen-Magnetwirbel und (mit Pfeilen) die Ausrichtung der Magnetfelder. Die Wirbel bewegen sich mit rund 100 Nanometern Abstand durch das Material. Abb.: Daniel Wolf via TUD

Die eingefärbte Darstellung zeigt Skyrmionen-Magnetwirbel und (mit Pfeilen) die Ausrichtung der Magnetfelder. Die Wirbel bewegen sich mit rund 100 Nanometern Abstand durch das Material. Abb.: Daniel Wolf via TUD

Hoffnung auf spintronische Datenspeicher

Weil diese zehn bis 100 Nanometer großen Magnetwirbel auch stabil bei Zimmertemperatur funktionieren, könnten sie sich womöglich auch für spintronische Elektronik, sogenannte Spintronik, eignen. Die Hoffnung der Dresdner Physiker: Mit ihrer Hilfe könnten Daten künftig äußerst energieeffizient und platzsparender transportiert werden.

Axel Lubk hatte bereits in der Vergangenheit mit besonderen wissenschaftlichen Leistungen auf sich aufmerksam gemacht. So bekam er beispielsweise 2016 eines der begehrten Stipendien vom Europäischen Forschungsrat (ERC), damit er neue elektronenmikroskopische Methoden für die Untersuchung von Nanomateralien weiterentwickeln konnte. Damals wechselte er  von der TUD ans IFW.

Quellen: TUD, IFW DD

Wissenschaftliche Publikation:
Daniel Wolf, Sebastian Schneider, Ulrich K. Rößler, András Kovács, Marcus Schmidt, Rafal E. Dunin-Borkowski, Bernd Büchner, Bernd Rellinghaus and Axel Lubk, Unveiling the three-dimensional magnetic texture of Skyrmion tubes, Nature Nanotechnology 17 (2022) 250–255. https://doi.org/10.1038/s41565-021-01031-x