Die Wissenschaftler haben Skyrmionen erzeugt, indem sie Sandwich-Strukturen aus Platin, einer magnetischen Legierung bestehend aus Kobalt, Eisen und Bor sowie Magnesiumoxid eingesetzt haben. Dr. Felix Büttner vom MIT erklärt: "Aufgrund des Spin-Hall-Effektes, einem quantenmechanischen Effekt, und einer speziellen Wechselwirkung der Atome an den Grenzflächen der Materialien lassen sich Skyrmionen durch Strompulse gezielt herstellen. Mit unserer Methode ist das direkt in sogenannten Racetrack-Strukturen möglich, und zwar an vorher festgelegten Stellen, was ja für ein kontrolliertes Schreiben von Daten wesentlich ist." Die Racetrack-Strukturen sind nanometerdünne Drähte aus übereinandergestapelten magnetischen Materialien. Den genauen Erzeugungsort der Magnetwirbel konnten die Forscher durch eine kleine zusätzliche Verengung im Draht festlegen.
Dass tatsächlich die speziellen Skyrmion-Magnetwirbel erzeugt und mit einem weiteren Strompuls in den Racetrack-Draht geschoben worden sind, haben die Wissenschaftler am Deutschen Elektronensynchrotron DESY in Hamburg mit Röntgenstrahlung nachgewiesen. "Röntgenholografie erlaubt höchst empfindlich den Nachweis dieser sehr kleinen magnetischen Strukturen. Die Magnetisierungswirbel lassen sich so mit einer Auflösung von etwa 20 Nanometern abbilden", erklärt Dr. Bastian Pfau, einer der Wissenschaftler des MBI-Teams.
Die Wissenschaftler haben in ihren Untersuchungen verfolgen können, wie mit einzelnen Strompulsen Skyrmionen erzeugt werden, die dann mit weiteren Pulsen bewegt werden. Wichtig war dabei das Verständnis der grundlegenden Prozesse: Was spielt sich in den wenige Nanometer dünnen Schichten des Materials und an den Grenzflächen ab, wenn einzelne kurze Strompulse mit einer Dauer im Bereich von Nanosekunden durch das Material geschickt werden? Wie beeinflussen Elektronen von der Platinschicht aus während der Strompulse die Magnetisierung in der angrenzenden Kobaltlegierung, so dass Skyrmionen mit bestimmtem Drehsinn entstehen? Hierfür hat das Team seine Beobachtungen mit mikromagnetischen Simulationen verglichen, in denen die Prozesse im Computer nachgebildet werden. "Diese Erkenntnisse zum mikroskopischen Mechanismus werden uns entscheidend helfen, die Konzepte und Materialien für zukünftige Datenspeichertechnologien weiterzuentwickeln", freut sich Büttner.
