Pressemitteilung | MBI | 05-10-2020

Twisting magnetization with light – Laser pulses enable faster creation of skyrmions in magnets

A team of scientists led by the Max Born Institute (MBI), Berlin, Germany, and the Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, USA, has demonstrated how tiny magnetization patterns known as skyrmions can be written into a ferromagnetic material faster than previously thought possible.

Fig. 1: A laser pulse transforms a uniform magnetization (magnetization down everywhere) to a skyrmion swirl where the magnetization in the center points up. This transformation changes the so-called topology of the system. | MBI

The researchers have clarified how the topology of the magnetic system changes in this process. As reported in the journal Nature Materials, the findings are relevant for topological phase transitions in general, and may inspire new routes how to use magnetic skyrmions in information technology.

Magnetic skyrmions are tiny swirls in the magnetization of thin magnetic films, where the direction of magnetization points in different directions as shown schematically in the first Figure. It turns out that the particular magnetization pattern can be characterized according to its so-called topology – a mathematical concept to describe the shape or geometry of a body, a set or – as in this case – a physical field (see infobox on topology). Importantly, the topology of skyrmions is different from the simple uniform state where the magnetization points in the same direction everywhere. To change between the two spin patterns, also the topology of the system must be changed. This contributes substantially to the stability of the skyrmions but also makes their fast creation very difficult.

In their work, which employs imaging of nanometer-sized skyrmions with x-rays and electrons, the researchers were first able to show that a single laser pulse of sufficient intensity allows to create skyrmions with a particular topology – that is, the magnetization pattern swirls in a particular fashion only.

Next, they set out to understand how such a change of topology is mediated by the laser pulse by investigating how this transition from a uniform pattern to skyrmions proceeds in time. Towards that end, they performed x-ray scattering experiments at the x-ray free-electron laser European XFEL in Hamburg, Germany, where the deflection of the x-ray beam by the skyrmions is detected. Hitting the ferromagnetic thin film in its uniform state first with an optical laser pulse followed by an x-ray laser pulse, they could map out how size and spacing of the skyrmions evolve over time. The first surprising result was that the topological change was finished after 300 picoseconds, which is significantly faster than observed for skyrmions in any other ferromagnetic system before. Comparing the experimental data with theoretical simulations, the team could infer how the topological transition comes about. The laser pulse promotes the system in a high-temperature state where the magnetization breaks up in small independently fluctuating regions, rapidly changing their magnetization direction. In this topological fluctuation state, the energy barrier for the nucleation of skyrmions is very much reduced, and they appear and disappear continuously. As the system cools down after laser excitation, some of the small skyrmion nuclei freeze out and subsequently grow to form the larger skyrmions, which have been observed in the initial imaging experiments.

Angesichts der Tatsache, dass Skyrmionen eine Größe von nur zehn Nanometern haben können und trotzdem noch stabil bei Raumtemperatur sind, ergeben sich aus diesen Ergebnissen interessante Perspektiven für zukünftige Konzepte der magnetisch basierten Datenverarbeitung und -speicherung. Schon heute ist die Größe der Bits auf einer Festplatte dadurch beschränkt, ob ein Magnet in der Lage ist, diese sehr kleinen, aber auch sehr dauerhaften Bits neu zu beschreiben, also umzumagnetisieren. Die Technologie, die Bits örtlich mit einem Laser aufzuheizen und damit magnetisch „weich“ zu machen, ist bereits in der Entwicklung, um noch höhere Speicherdichten zu erreichen. Die Erzeugung von Skyrmionen mit Lasern könnte diesem Konzept einen neuen Dreh verleihen.



Die Topologie ist ein Konzept aus der Mathematik, um die Form oder Geometrie beispielsweise von Köpern zu beschreiben und zu unterscheiden. In der Physik wird dieses Konzept auch auf Vektorfelder wie die Magnetisierungsmuster in einer dünnen Schicht eines Materials angewendet. Zwei Körper haben die gleiche Topologie, wenn sie nur durch sogenannte kontinuierliche Transformationen in einander überführt werden können. Dazu zählen Dehnen, Stauchen, Verbiegen und Verdrehen, aber nicht Schneiden und Kleben.

Das führt zu dem Ergebnis, dass eine Tasse und ein Donut die gleiche Topologie teilen. Das kann man sich gut mit einer Tasse aus Modelliermasse vorstellen. Durch geschicktes Bearbeiten der Masse ist es möglich, aus der Tasse einen Donut zu formen, ohne die Masse Schneiden oder Kleben zu müssen. Anders verhält es sich, versucht man einen Donut aus einem Löffel zu formen. An irgendeinem Punkt muss man entweder das Donut-Loch in die Masse schneiden oder die zwei Enden einer Rolle mit einander verkleben. Löffel und Donut können also anhand ihrer Topologie unterschieden werden. In der Physik wird oft angenommen, dass eine gewisse Energiebarriere überwunden werden muss, um die Topologie eines Systems zu ändern.

 

Büttner, F., Pfau, B., Böttcher, M. et al. Observation of fluctuation-mediated picosecond nucleation of a topological phase. Nat. Mater. (2020).
doi: 10.1038/s41563-020-00807-1, full version (view-only): https://rdcu.be/b76iq

Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)

Dr. Bastian Pfau
Tel. +49 30 6392 1321
E-Mail Bastian.Pfaumbi-berlin.de

Prof. Dr. Stefan Eisebitt
Tel. +49 30 6392-1300
E-Mail stefan.eisebittmbi-berlin.de