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.
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Langzeittest zeigt: Effizienz von Perowskit-Zellen schwankt mit der JahreszeitAuf dem Dach eines Forschungsgebäudes am Campus Adlershof läuft ein einzigartiger Langzeitversuch: Die unterschiedlichsten Solarzellen sind dort über Jahre Wind und Wetter ausgesetzt und werden dabei vermessen. Darunter sind auch Perowskit-Solarzellen. Sie zeichnen sich durch hohe Effizienz zu geringen Herstellungskosten aus. Das Team um Dr. Carolin Ulbrich und Dr. Mark Khenkin hat Messdaten aus vier Jahren ausgewertet und in der Fachzeitschrift Advanced Energy Materials vorgestellt. Dies ist die bislang längste Messreihe zu Perowskit-Zellen im Außeneinsatz. Eine Erkenntnis: Standard-Perowskit-Solarzellen funktionieren während der Sommersaison auch über mehrere Jahre sehr gut, lassen jedoch in der dunkleren Jahreszeit etwas nach. Die Arbeit ist ein wichtiger Beitrag, um das Verhalten von Perowskit-Solarzellen unter realen Bedingungen zu verstehen.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.