
Skyrmionen gehören zu den faszinierendsten Entdeckungen in der modernen Physik. Diese nanometer- bis mikrometergroßen magnetischen Wirbel verhalten sich wie Teilchen und können durch elektrische Ströme bewegt werden. Ihre Besonderheiten machen sie zu potenziellen Kandidaten für innovative Datenspeicher und Computerarchitekturen. An der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben Forscher aus der theoretischen und experimentellen Physik eine neue Methode entwickelt, um die dynamischen Eigenschaften von Skyrmionen in Echtzeit zu simulieren. Dies könnte die Entwicklung skyrmion-basierter Anwendungen erheblich beschleunigen, wie uni-mainz.de berichtet.
Die Herausforderung bei der Arbeit mit Skyrmionen ist die Komplexität ihrer internen Struktur. Bisher war es schwierig, die Gesamt- dynamik von Skyrmionen in einer Experimentalsimulation mit der realen Zeit in Einklang zu bringen. Hier kamen die theoretische Gruppe von Prof. Dr. Peter Virnau und die experimentelle Gruppe von Prof. Dr. Mathias Kläui ins Spiel. Sie kombinierten experimentelle Messtechniken und Analysemethoden der Statistischen Physik, um eine neue Simulationstechnik zu entwickeln, die quantitative Vorhersagen zu Skyrmion-Dynamiken liefert.
Neuartige Simulationstechnik
Die neue Methode der Skyrmion-Simulation basiert darauf, diese Wirbel als Teilchen zu betrachten, ähnlich den Verfahren in der Biophysik. Durch den Einsatz von Brownschen Bewegungsgleichungen mit einem zusätzlichen Term für den Skyrmion-Hall-Effekt können nun komplexere und langanhaltende Simulationen durchgeführt werden. Diese Simulationen zeigen eine hohe Übereinstimmung mit experimentellen Daten und ermöglichen eine detaillierte Analyse der Skyrmionenbewegungen unter verschiedenen Bedingungen. Der vollständige Ansatz wurde ausführlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht, wo er als „Editors‘ Suggestion“ ausgezeichnet wurde. Der Titel der Veröffentlichung lautet „Particle-based computer simulations of magnetic skyrmions“, autorisiert von Jan Rothörl, mit den Beratern Virnau und Kläui. Das Dokument ist auf openscience.ub.uni-mainz.de verfügbar.
Die Forscher identifizierten verschiedene Wechselwirkungen zwischen Skyrmionen, was für die effiziente Simulation von entscheidender Bedeutung ist. Insbesondere hat die Untersuchung gezeigt, dass mikrometergroße Skyrmionen vollständig repulsive Wechselwirkungspotentiale aufweisen. Solche Erkenntnisse sind unerlässlich für die Entwicklung stabiler, effizienter Skyrmion-basierter Systeme.
Anwendungen und zukünftige Perspektiven
Skyrmionen können nicht nur in der Datenspeicherung verwendet werden, sondern auch in logischen Schaltungen und Sensoren. Die Vielfalt ihrer Einsatzmöglichkeiten beruht auf ihrer Stabilität und der Tatsache, dass sie bei Raumtemperatur existieren können. Ihre Fähigkeit, durch geringe Energieaufwendungen in Bewegung gesetzt zu werden, macht sie zu einem vielversprechenden Forschungsfeld für zukünftige Technologien. Die studysmarter.de beschreibt, dass Skyrmionen durch ihre topologischen Eigenschaften geschützt sind und aus diesem Grund nicht kontinuierlich in einen trivialen Zustand umgewandelt werden können.
Die Entwicklung antiferromagnetischer Skyrmionen wird ebenfalls erforscht, wobei diese Strukturen eine höhere Stabilität gegenüber äußeren Einflüssen aufweisen können. Gleichzeitig bestehen Herausforderungen in der praktischen Anwendung, wie die Erzeugung und Manipulation dieser Skyrmionen bei Raumtemperatur. Überdies könnte die Kombination von Skyrmionen mit neuronalen Netzwerken das Potenzial für Anwendungen im Bereich der Künstlichen Intelligenz eröffnen.
Insgesamt zeigt die Forschung zu Skyrmionen, wie wichtig die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Theorie und Experiment ist und welche innovativen Wege dadurch in der Anwendung von magnetischen Materialien entstehen können. Der Blick in die Zukunft verspricht bedeutende Fortschritte in der Speicherung und Verarbeitung von Daten.