Untersuchung der Magnetisierungsdynamik topologisch nicht-trivialer Spin-Texturen

• Antragstellerin: Dr. Lisa-Marie Kern
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546268067

Magnetische π-Skyrmionen sind das prototypische Beispiel für topologisch nicht-triviale Spintexturen, gekennzeichnet durch eine einzige gleichmäßige Drehung der Spins von der Aufwärts- zur Abwärtsorientierung oder umgekehrt, und beschrieben durch die Windungszahl Q=1. Aufgrund ihrer Größe im Nanometerbereich, ihrer Stabilität bei Raumtemperatur und ihres Ein-Teilchencharakters wurden Skyrmionen für eine Vielzahl von Anwendungskonzepten vorgeschlagen, vom Rennbahnspeicher bis hin zu unkonventionellen Rechenverfahren. Über π-Skyrmionen hinaus ist jedoch ein Zoo von topologischen Spintexturen mit höherer Komplexität in Experimenten weitgehend unerforscht. Bisher wurden sowohl das Skyrmionium (=2π-Skyrmion) als auch das Targetskyrmion (=3π-Skyrmion) vor allem in geometrischen Begrenzungen beobachtet, während Skyrmion Bags mit variabler topologischer Ladung nur theoretisch vorhergesagt wurden. Simulationen schreiben diesen Texturen faszinierende Eigenschaften zu, z.B. eine geradlinige Bewegung für das Skyrmionium ohne Skyrmion-Hall Effekt oder besonders hohe Speicherdichten für dicht gepackte Skyrmion Bags, deren Bewegung nicht länger rotationsinvariant sein wird und neue physikalische Erkenntnisse liefern kann. In dem vorgeschlagenen Projekt werden die Erzeugung, Bewegung und Dynamik des Skyrmioniums, des Targetskyrmions und der Skyrmion Bags in ferromagnetischen Dünnschichten untersucht. Durch fokussierte Helium-Ionenbestrahlung erzeugte Anisotropie-Defekte werden als bevorzugte Entstehungsstellen für die komplexen Spintexturen dienen. Dieses Projekt verfolgt drei Ziele: (1) Entwicklung einer zuverlässigen Erzeugung von Skyrmionium, Targetskyrmion und Skyrmion Bags, die an Positionen veränderter Anisotropie in das ferromagnetische Dünnschichtsystem integriert sind. (2) Untersuchung der Stabilität und der Bewegung dieser Skyrmionen höherer Ordnung auf äußere Anregung hin. (3) Untersuchung der transienten Magnetisierungsdynamik unter kontrollierten Bedingungen, in Wechselwirkung mit dem maßgeschneiderten Defekt. Zusätzliche Simulationen werden die Dynamik vorhersagen und die experimentellen Ergebnisse ergänzen. Die Verwendung desselben Materials ermöglicht einen direkten Vergleich zwischen diesen komplexen kπ-Skyrmionen und dem gut untersuchten π-Skyrmion im Hinblick auf die Nukleationsparameter, ihre Bewegungsgleichung, die erreichbare Geschwindigkeit, den Skyrmion-Hall-Winkel und ihre Magnetisierungsdynamik. Elektrische Messungen werden systematische Studien zu Erzeugungs- und Bewegungsparametern ermöglichen, um die drei Arten von Texturen effizient zu detektieren. Anschließend wird das statische und zeitaufgelöste hochauflösende Abbilden verlässliche Informationen über die Größe und Form der erzeugten Texturen, über ihre Verschiebung und ihre Eigendynamik liefern. Die vorgeschlagene Studie wird zu einem tieferen Verständnis topologisch nicht-trivialer Spintexturen im Allgemeinen beitragen und neue Wege für kombinierte Anwendungskonzepte aufzeigen.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Geoffrey S. D. Beach