Spintronik: Röntgenmikroskopie an BESSY II kann Domänenwände unterscheiden
Die beiden oberen Reihen zeigen den erwarteten magnetischen Bildkontrast für Skyrmionen vom Bloch- und Néel-Typ bei Verwendung von zirkular, linear horizontal (LH) und linear vertikal (LV) polarisierter Röntgenstrahlung. Die Ergebnisse der experimentellen Raster-Transmissions-Röntgenmikroskopie (STXM) sind in der unteren Reihe dargestellt, sie entsprechen der Simulation der Skyrmionen vom Néel-Typ. © HZB
Magnetische Skyrmionen sind winzige Wirbel aus magnetischen Spin-Texturen. Im Prinzip könnten Materialien mit Skyrmionen als spintronische Bauelemente verwendet werden, zum Beispiel als sehr schnelle und energieeffiziente Datenspeicher. Doch im Moment ist es noch schwierig, Skyrmionen bei Raumtemperatur zu kontrollieren und zu manipulieren. Eine neue Studie an BESSY II analysiert nun die Bildung von Skyrmionen in einem besonders interessanten Material in Echtzeit und mit hoher räumlicher Auflösung: Es handelt sich um ferrimagnetische Dünnschichten aus Dysprosium und Kobalt. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, den Skyrmionentyp klar zu bestimmen.
Isolierte magnetische Skyrmionen sind topologisch geschützte Spin-Texturen, die wegen ihrer möglichen Anwendungen in der Informationstechnologie gerade intensiv untersucht werden. Besonders interessant sind Skyrmionen, die in ferrimagnetischen Seltenerd-Übergangsmetall-Materialien (RE-TM) auftreten. Sie weisen abstimmbare ferromagnetische Eigenschaften mit antiferromagnetisch gekoppelten Untergittern auf. Durch die Wahl der Elemente aus der Gruppe der Seltenen Erden und der Übergangsmetalle bieten sie eine Spielwiese für die Kontrolle der Magnetisierung und der senkrechten magnetischen Anisotropie, beides Schlüsselparameter für die Stabilisierung topologischer ferrimagnetischer Texturen.
Spinstrukturen an BESSY II bestimmen
Eine Klasse von ferrimagnetischen Legierungen besitzt eine stärkere senkrechte magnetische Anisotropie, dazu gehört auch eine Verbindung aus Dysprosium (Dy) und Kobalt (Co). Diese Materialien könnten Informationen deutlich stabiler abspeichern, allerdings sind ihre magnetischen Eigenschaften und Strukturen bisher kaum untersucht worden. Ein Team unter der Leitung von Dr. Florin Radu hat nun DyCo3-Proben mit röntgenmikroskopischen Methoden an BESSY II analysiert und die Spinstrukturen bestimmt.
Dazu nutzten sie die Raster-Transmissions-Röntgenmikroskopie mit zirkular oder linear polarisiertem Röntgenlicht, um über röntgenmagnetische Effekte den Kontrast zwischen den Elementen zu steigern. „So konnten wir isolierte ferrimagnetische Skyrmionen in hoher Dichte direkt beobachten und ihren Domänenwandtyp genau bestimmen“, berichtet Radu.
Die Ergebnisse zeigen, dass die ferrimagnetischen Skyrmionen vom Néel-Typ sind und sich deutlich von den anderen Domänenwänden, den Bloch-Wänden, unterscheiden lassen. Damit kann erstmals der Typ der Domänenwände durch Röntgenuntersuchungen zuverlässig bestimmt werden. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Anwendung dieser interessanten Materialklasse für echte spintronische Bauelemente.
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Umweltchemie an BESSY II: Radikale in GewässernWie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.