Erfahrung mit ferromagnetischen Multilagensystemen und Magnetokraftmikroskopie

Der Forschergruppe um Hans Josef Hug an der Empa ist es nun gelungen, das Problem zu lösen: «Wir haben ein Multilagensystem bestehend aus verschiedenen sub-Nanometer dicken ferromagnetischen, Edelmetall- und seltenen Erdmetall-Schichten hergestellt, in dem zwei verschiedene Skyrmionen-Zustände bei Raumtemperatur nebeneinander existieren können», sagt Hug. Sein Team untersucht schon seit längerem die Eigenschaften und die Beeinflussbarkeit von Skyrmionen in selbst hergestellten ultradünnen ferromagnetischen Multilagensystemen mit dem eigens an der Empa entwickelten Magnetokraftmikroskop. Für ihre jüngsten Experimente stellten sie die Materialschichten aus den Metallen Iridium (Ir), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Platin (Pt) und den seltenen Erdmetallen Terbium (Tb) und Gadolinium (Gd) her.

Zwischen den zwei ferromagnetischen Multilagen, die Skyrmionen erzeugen – die Kombination aus Ir/Fe/Co/Pt-Schichten wird fünf Mal übereinandergelegt –, fügten die Forscher eine ferrimagnetische Multilage aus einer Tb/Gd-Legierung und einer Co-Schicht ein. Das Besondere an dieser Lage ist, dass sie für sich alleine keine Skyrmionen erzeugen kann. Die äusseren beiden Schichten erzeugen dagegen Skyrmionen in grosser Zahl.

Die Forscher justierten das Mischungsverhältnis der beiden Metalle Tb und Gd sowie die Dicken der TbGd- und der Co-Schicht in der zentralen Lage so, dass sich dessen magnetische Eigenschaften durch die äusseren ferromagnetischen Schichten beeinflussen lassen: Diese «pressen» Skyrmionen in die mittlere ferrimagnetische Schicht. Dadurch entsteht ein Schichtsystem, in dem zwei verschiede Typen von Skyrmionen existieren.