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Projekt
Thermisch aktivierte Skyrmionen: von der individuellen zur kollektiven Dynamik
Antragsteller
Professor Dr. Mathias Kläui; Professor Dr. Ulrich Nowak
Fachliche Zuordnung
Theoretische Physik der kondensierten Materie
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Förderung
Förderung seit 2018
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403502522
In diesem Projekt wollen wir mit kombinierten theoretischen und experimentellen Methoden die Statik und Dynamik thermisch aktivierter Skyrmionen untersuchen. Wir gehen dabei über die bislang untersuchten ferromagnetischen Systeme hinaus, hin zu Systemen mit mehreren antiparallel gekoppelten magnetischen Untergittern. Hierzu gehören synthetische wie intrinsische ferri- und antiferromagnetische Systeme mit komplexen Eigenschaften, die sich aus dem Wechselspiel ihrer Untergitter ergeben.Der erste Schritt besteht darin, die thermische Dynamik einzelner Skyrmionen zu verstehen, basierend auf unseren Arbeiten an ferromagnetischen Skyrmionen und der ersten experimentellen Beobachtung von Diffusion in ferrimagnetischen und synthetisch antiferromagnetischen Systemen. Mit der Vorhersage einer erhöhten Diffusionsdynamik für niedriges magnetisches Gesamtmomente sind diese Systeme vielversprechend für unkonventionelle Logikanwendungen basierend auf Diffusion. Daher werden wir die Skyrmionen-Diffusion, beginnend mit großem magnetischen Moment, bis hinunter zum Gesamtmoment Null untersuchen, wo sich die Untergitter kompensieren. Dazu wird das magnetische Gesamtmoment in Ferrimagneten mit Hilfe der Temperatur und in synthetischen Antiferromagneten durch die Wahl der Schichtdicken variiert.Im zweiten Schritt werden wir die kollektive Dynamik von Skyrmionensembles untersuchen, die verschiedene Phasen und Phasenübergänge zeigen können, wie z. B. die für 2D-Systeme einzigartige hexatische Phase mit ihren topologischen Phasenübergängen. Ausgehend von der statistischen Analyse der Skyrmionenpositionen einer Probe ist es möglich, die Potenziallandschaft der Skyrmionen zu quantifizieren. Damit lassen sich Vorhersagen zu einer erhöhten Versuchsfrequenzen für antiferromagnetische Skyrmionen überprüfen und die Skyrmion-Skyrmion-Wechselwirkung, die für die Bildung der Phasen verantwortlich ist, bestimmen. Die Phasen und Phasenübergänge können dann mit Hilfe lokaler Orientierungs-Ordnungsparameter im Vergleich mit den numerischen Rechnungen analysiert werden. Schließlich können wir durch plötzliche Variation der Skyrmionengröße und -form Relaxationsprozesse zeitaufgelöst untersuchen, um die Prozesse zu identifizieren, die Phasenübergänge treiben.Wir werden dazu eine Reihe ausgewählter experimenteller Techniken verwenden, die variable Temperaturen und äußere Magnetfelder ermöglichen, hauptsächlich Echtzeit-Magnetmikroskopie für die direkte Bildgebung, ergänzt durch Streutechniken. Im theoretischen Teil des Projekts verwenden wir eine breite Kombination numerischer Simulationstechniken, die von der elektronischen Struktur bis hin zur mesoskopischen Skala reichen. Aus Spindynamiksimulationen werden wir realistische Parameter extrahieren, um letztendlich in einem Quasiteilchenbild Molekulardynamiksimulationen möglichst großer Ensembles von Skyrmionen durchführen, die zur Modellierung von Phasen und Phasenübergängen erforderlich sind.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
