Forschungsbericht 2019 - Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik

Der Skyrmionen-Zoo wächst weiter!

Autoren
Ma, Tianping; Saha, Rana; Parkin, Stuart
Abteilungen
Abteilung NISE: Nanosystems from Ions, Spins and Electrons
Zusammenfassung
Die Spintronik ist ein Forschungsgebiet, das sich auf die Grundlagenphysik und die Anwendungen von Spin-basierten Phänomenen konzentriert. Bis heute hat die Spintronik eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von Aufnahmeköpfen gespielt, die in Magnetplattenlaufwerken und in einem leistungsstarken, nichtflüchtigen magnetischen Direktzugriffsspeicher mit Festkörperbetrieb eingesetzt werden. Eine dritte Spintronik-Technologie, der magnetische Racetrack-Speicher, hat das Potenzial, Magnetplattenlaufwerke zu verdrängen: Dieser Artikel befasst sich mit der Entdeckung mehrerer neuartiger magnetischer Nanoobjekte, so genannter „Skyrmionen“, die die Daten im Racetrack-Speicher kodieren könnten.

Zu den wichtigsten Themen der heutigen Spintronik gehört die Untersuchung der stationären und dynamischen Eigenschaften von nicht-kollinearen topologischen Spintexturen.  Diese reichen von chiralen magnetischen Domänenwänden, die sich auf der Nanoskala als winzige Objekte mit Masse und Impuls verhalten, bis hin zu magnetischen Skyrmionen. Während Domänenwände Grenzen zwischen ausgedehnten magnetischen Regionen mit unterschiedlichen Magnetisierungsvektoren sind, sind Skyrmionen typischerweise kugelförmige magnetische Nanoobjekte, die innerhalb eines magnetisierten Objekts liegen.  Die Skyrmionen haben Grenzen, die selbst aus chiralen Domänenwänden (DW) gebildet werden und die durch chirale magnetische Austauschwechselwirkungen (eine so genannte „Dzyaloshinskii-Moriya-Interaktion“ (DMI)) stabilisiert werden, die durch die zugrunde liegende Kristallsymmetrie eingeschränkt sind. Zuvor waren zwei Arten von Skyrmionen entdeckt worden, die entweder Bloch- oder Néel-artige DW aufweisen: Im ersten Fall dreht sich die Magnetisierung in einer Ebene parallel zur DW von einer „Aufwärts-“ zu einer „Abwärtsrichtung“ und im letztgenannten Fall dreht sie sich senkrecht zur DW. Vor kurzem haben wir mit Hilfe der Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie (LTEM) eine neue topologische Spintextur, ein Anti-Skyrmion, in einer tetragonalen inversen Heusler-Verbindung Mn1.4Pt1-PdxSn (x=0 oder 0,1) entdeckt, das eine D2d Kristallsymmetrie aufweist[1].

Abb.1: LTEM-Bilder einer keilförmigen Lamelle bei 300 K gegen das Magnetfeld. Die Lamelle wird so geschnitten, dass die tetragonale Achse ([001]) senkrecht zur Lamelle ausgerichtet ist. a Bild bei einem Null-Magnetfeld unmittelbar nach der Erwärmung von 250 K. b–l Sequenzen von Bildern, die nach der Erwärmung des Felds aufgenommen wurden, das zunächst auf 0,272 T vom Nullfeld erhöht und dann allmählich für drei Regionen (A, B und C) der Lamelle, die als weiß gestrichelte Kästchen in (a) dargestellt sind, auf das Nullfeld abgesenkt wurde. Beachten Sie, dass im Bereich A Biegekonturen deutlich sichtbar sind (z.B. in c–f). Die Bilder in (b–l) sind jeweils 1 × 1 μm2 groß. Von Ref. [2]. Es können deutlich zwei unterschiedliche Strukturen erkannt werden. Der Kontrast in den Bildern ist proportional zur Magnetisierungskomponente in der Ebene der Lamelle, die den Kontrast in den LTEM-Bildern erzeugt. Der abwechselnde Schwarz-Weiß-Kontrast entspricht einer periodischen, chiralen, schraubenförmigen magnetischen Momentenvariation, deren Periode durch den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden schwarzen (weißen) Bereichen gegeben ist (siehe z.B. Bilder in b und i). Eine zweite ausgeprägte Struktur, die Anti-Skyrmionen, werden als kleine kreisförmige oder dreieckige oder quadratische Objekte abgebildet.

Anti-Skyrmionen weisen eine komplexere Grenze auf als Skyrmionen mit aufeinanderfolgenden Segmenten entlang der Grenze, die abwechselnd Bloch- und Néel-DW aufweisen, welche ihrerseits abwechselnde Chiralitäten (d.h. Rotation mit dem oder gegen den Uhrzeigersinn) aufweisen. Da die D2d Symmetrie zudem vorschreibt, dass es keine DMI-Komponente entlang der tetragonalen Achse geben kann, haben Anti-Skyrmionen von Natur aus eine zylindrische Form.  Dies führt dazu, dass sie im Vergleich zu den Bloch- oder Néel-Skyrmionen eine viel größere Stabilität aufweisen.  Wir haben in der Tat gezeigt, dass Anti-Skyrmionen über einen weiten Temperatur- und Magnetfeldbereich hinweg existieren. Wir haben außerdem gezeigt, dass Anti-Skyrmionen mehrere weitere einzigartige Eigenschaften aufweisen, darunter auch eine außergewöhnliche Abhängigkeit ihrer Größe von der Dicke eines Dünnschicht-Lamellenwirts[2, 3]. Mit ausgefeilten fokussierten Ionenfräsinstrumenten werden Lamellen mit Dicken von einigen zehn Nanometern bis zu wenigen Mikrometern aus einzelnen Kristallen des Heusler-Materials geschnitten[1]. Bei dünneren Lamellen mit Dicken bis zu ~500 nm können die Anti-Skyrmionen direkt über LTEM abgebildet werden, für dickere Lamellen können sie mit der Magnetkraftmikroskopie bei variabler Temperatur nachgewiesen werden.  In Abbildung 1 sind für drei Regionen entlang einer keilförmigen Lamelle, die aus Mn1,4Pt0,9Pd0,1Sn mit Dicken von ~170 nm (A), ~220 nm (B) und ~250 nm (C) besteht, typische LTEM-Daten dargestellt.  Diese Daten belegen, dass die Anti-Skyrmionen über einen weiten Magnetfeldbereich stabil sind, der sogar mit der Dicke und zudem bei Raumtemperatur und darüber hinaus zunimmt. Diese Stabilität macht diese Spintexturen für Spintronikanwendungen hochinteressant.

Die Daten in Abb. 1 zeigen zwei weitere wichtige Punkte: erstens, dass bei niedrigen Magnetfeldern eine andere Spintextur auftritt, nämlich eine chirale Helixtextur, bei der die aus der Ebene ragende Magnetisierungskomponente sinusförmig entlang einer von zwei verschiedenen Kristallrichtungen ([100] und [010]) schwingt.  Diese Richtungen entsprechen denen, die in den Bloch-artigen Wandsegmente gebildet werden.  Zweitens nimmt die Helix-Periode mit der Dicke zu. Beide Eigenschaften resultieren aus der Minimierung magnetisch-dipolarer Wechselwirkungen: Die Rolle dieser Wechselwirkungen dominiert die Eigenschaften von Anti-Skyrmionen, ist für Skyrmionen aber weitaus weniger wichtig. Die Bedeutung dieser Interaktion ist vor unserer Arbeit noch nicht gewürdigt worden.  Schließlich haben wir aus damit zusammenhängenden Gründen gezeigt, dass eine andere Art von magnetischen Nanoobjekten in derselben Heusler-Verbindung gefunden werden kann, nämlich ein elliptisches Bloch-Skyrmion, das sich als „Zwillinge“ bildet, die lange Achsen entweder entlang [100] oder [010] aufweisen[4].

Der Skyrmionen-„Zoo“ wächst weiter.  Wir haben kürzlich gezeigt, dass Néel-Skyrmionen bei Temperaturen von bis zu ~270 K in einer einzelnen kristallinen Lamelle stabilisiert werden, die aus Kristallen von PtMnGa (Abb. 2) gebildet wird, das metallisch ist[5]. Néel-Skyrmionen waren bisher nur in zwei isolierenden Verbindungen (GaV4S8 und VOSe2O5) und nur bei sehr niedrigen Temperaturen (<13 K) gefunden worden.  Interessant ist, dass die Kristallstruktur von PtMnGa vor unseren Studien als zentrosymmetrisch beschrieben wurde und daher die Bildung von Skyrmionen nicht unterstützt. Nach sehr sorgfältigen und ausgedehnten Transmissionselektronenmikroskopie- und Röntgenbeugungsstudien konnten wir jedoch nachweisen, dass die Kristallstruktur tatsächlich nicht zentralsymmetrisch ist und eine C3v-Symmetrie aufweist.  Es gibt kleine „zerknitternde“ Verzerrungen innerhalb der Pt-Ga-Ebene, so dass die Struktur ziemlich naiv als eine Abfolge von Pt-Mn-Ga-Dreifachschichten betrachtet werden kann.  Wir beobachten bei dieser Verbindung auch eine signifikante Zunahme des Durchmessers der Néel-Skyrmionen in PtMnGa von ~90 bis ~ 720 nm, da die Lamellendicke von ~90 nm bis ~4 μm schwankt.  Der Ursprung liegt, wie schon die Größenabhängigkeit der Anti-Skyrmionen, ebenfalls in den magnetischen dipolaren Wechselwirkungen.

Abb. 2: Beobachtung von Néel-Skyrmionen in metallischem PtMnGa. a, Schematische Darstellung der Spintextur eines Néel-Skyrmions. b, Ausgewählter Bereich eines Elektronenbeugungsmusters bei 300 K von einer [0001] ausgerichteten Lamelle. c-f, Unterfokussierte Lorentz-Transmissionselektronenmikrografen bei 100 K und 0,28 T für verschiedene Kippwinkel. g, Schematische Darstellung einer um die x- und y-Achse kippenden Probe, um diese Texturen aufzuzeigen. Bei Null-Neigungswinkeln (senkrecht zur Lamelle durchgelassener Elektronenstrahl) gibt es keinen Lorentz-Kontrast für ein Néel-Skyrmion. h, Dickenabhängige Magnetkraftmikroskopie-Bilder,  die zeigen, wie die Größe des Néel-Skyrmions mit zunehmender Dicke erheblich zunimmt.  Von Ref. [5].

Unsere Studien haben somit das Vorhandensein mehrerer neuer Arten von Skyrmionen, die eine zylindrische Form haben, nämlich Anti-Skyrmionen[1], elliptische Bloch-Skyrmionen[4] und Néel-Skyrmionen[5], in einer Reihe neuer Materialien aufgezeigt. Die gemeinsamen Merkmale dieser Materialien sind das Vorhandensein von hohen Z-Atomen, die eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung verursachen, die zur Unterstützung chiraler Dzyaloshinskii-Moriya-Austauschwechselwirkungen erforderlich ist, sowie senkrechte magnetische Anisotropien und nicht-zentrosymmetrische Kristallstrukturen.  Eine einzigartige Eigenschaft dieser Skyrmionen besteht darin, dass ihre Größe durch die Steuerung der magnetischen Dipol-Energien angepasst werden kann. Mit dem ständig wachsenden Skyrmionen-Zoo verfügen sie über ein erhebliches Potenzial, die Spintronik-Technologien zu beeinflussen. Eine der interessantesten ist der magnetische Racetrack-Speicher,[6] in dem bei Vorhandensein oder Fehlen von chiralen Domänenwänden digitale Daten in winzigen magnetischen Nanodrähten kodiert werden könnten[6].  Das Schlüsselmerkmal dieser Technologie ist die synchrone Bewegung der Domänenwände entlang des Racetracks durch nanosekundenlange Stromimpulse unter Einsatz von Spin-Bahn- und riesigen Austausch-Drehmomenten, die aus den Spin-Strömen abgeleitet werden, welche durch den Spin-Hall-Effekt in Schwermetallschichten erzeugt werden, die an einer Seite der Racetracks angebracht sind.  Ein wichtiges Ziel unserer aktuellen Arbeit besteht darin, die strominduzierte Bewegung eines oder mehrerer dieser zylindrischen Skyrmionen zu demonstrieren: Dies erfordert die Herstellung von hochwertigen epitaktischen dünnen Schichten, die nur 1 bis 2 nm dick und mit Schwermetallschichten gekoppelt sind.  Wir sind auf dem besten Weg, diese Schichten mit Hilfe einzigartiger, fortschrittlicher Dünnschichtabscheidungs- und Charakterisierungskapazitäten, die wir in den letzten drei Jahren in unserem Institut mit erheblicher Unterstützung des Landes Sachsen-Anhalt aufgebaut haben, herzustellen.


[1] Wir danken der Abteilung Festkörperchemie des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe, Dresden, mit der diese Arbeit durchgeführt wurde und die uns Kristalle verschiedener Heusler-Verbindungen von hoher Qualität zur Verfügung gestellt hat.

Literaturhinweise

1.
A.K. Nayak, V. Kumar, T. Ma, P. Werner, E. Pippel, R. Sahoo, F. Damay, U.K. Rößler, C. Felser, S.S.P. Parkin
Magnetic antiskyrmions above room temperature in tetragonal Heusler materials
Nature, 548 (2017) 561-566
2.
R. Saha, A.K. Srivastava, T. Ma, J. Jena, P. Werner, V. Kumar, C. Felser, S.S.P. Parkin
Intrinsic stability of magnetic anti-skyrmions in the tetragonal inverse Heusler compound Mn1.4Pt0.9Pd0.1Sn
Nat. Commun., 10 (2019) 5305
3.
T. Ma, A.K. Sharma, R. Saha, A.K. Srivastava, P. Werner, P. Vir, V. Kumar, C. Felser, S.S.P. Parkin
Tunable Magnetic Anti-skyrmion Size and Helical Period from Nanometers to Microns
Adv. Mater., First published: 02 June 2020
4.
J. Jena, B. Göbel, T. Ma, V. Kumar, R. Saha, I. Mertig, C. Felser, S.S.P. Parkin
Elliptical Bloch skyrmion chiral twins in an antiskyrmion system
Nat. Commun., 11 (2020) 1115
5.
A.K. Srivastava, P. Devi, A.K. Sharma, T. Ma, H. Deniz, H.L. Meyerheim, C. Felser, S.S.P. Parkin
Observation of Robust Néel Skyrmions in Metallic PtMnGa
Adv. Mater., 32 (2020) 1904327
6.
R. Bläsing, A.A. Khan, P.C. Filippou, C. Garg, F. Hameed, J. Castrillon, S.S.P. Parkin
Magnetic Racetrack Memory: From Physics to the Cusp of Applications within a Decade
Proceedings of the IEEE (Early Access) 24 March 2020

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