30.11.2021
Im Rahmen des EMPIR-Projekts „TOPS“ wurde in der PTB die thermisch angeregte Magnetisierungsdynamik topologisch geschützter winziger magnetischer Wirbel, sogenannter Skyrmionen, in optischen Experimenten mit Femtosekundenlasern untersucht.
Die magnetische Wechselwirkung in intermetallischen Verbindungen kann zur Ausbildung komplexer magnetischer Strukturen im Nanometerbereich führen. Ein prominentes Beispiel dafür sind die sogenannten Skyrmionen. Skyrmionen sind stabile magnetische Wirbel, die in einigen Materialverbindungen unter bestimmten Umgebungsbedingungen auftreten. Sie gelten als Kandidaten für neuartige magnetische Datenspeicher mit hoher Speicherdichte und niedriger Leistungsaufnahme.
Im Rahmen des EMPIR-Metrologieforschungsprojekts „Metrologie für topologisch geschützte Spinstrukturen“ (TOPS) wurde in der PTB die Magnetisierungsdynamik verschiedenerer Skyrmionensysteme untersucht. Hierbei stand die Charakterisierung ultraschneller Prozesse im Vordergrund, bei denen sich das Materialsystem nicht im thermischen Gleichgewicht befindet. Bei der dafür eingesetzten Methode wird die Magnetisierung der Proben zunächst mit Hilfe von Femtosekunden-Laserpulsen (den sogenannten Anregepulsen) thermisch angeregt. Anschließend detektiert ein zweiter, zeitlich verzögerter Puls (Abfragepuls) durch Messung des magneto-optischen Kerr-Effekts den momentanen Magnetisierungszustand. Diese Messtechnik erlaubt eine Charakterisierung der Magnetisierungsdynamik mit sub-ps Zeitauflösung.
Eines der mit dieser Methode untersuchten Materialsysteme ist FeCoSi. Die Messdaten der Magnetisierungsdynamik zeigten bei unterschiedlichen Temperaturen und angelegten Magnetfeldern verschiedene charakteristische Signaturen, anhand derer die unterschiedlichen magnetischen Phasen des Systems unterschieden werden konnten (siehe Bild). Von besonderem Interesse ist dabei die sogenannte Skyrmionphase (roter Bereich im Bild), in der eine charakteristische magnetische Anregung, die sogenannte „Atmungsmode“ (engl.: Breathing Mode) erstmals magneto-optisch charakterisiert wurde. Dies ermöglicht ein tieferes Verständnis der magnetischen Prozesse des untersuchten Materialsystems.
Bild: Diagramm der magnetischen Phasen von FeCoSi. In den Untersuchungen wurden insbesondere die beiden Skyrmionenphasen (rote Bereiche) detailliert untersucht, also die kleinere Gleichgewichts-Skyrmionenphase (SkP) und das metastabile Skyrmionengitter (SkL)
Fachbereich 2.5 „Halbleiterphysik und Magnetismus“