Woraus werden die elektronischen Speicher von morgen bestehen? Unsere Gesellschaft steht aktuell vor mehreren Herausforderungen: Einerseits wollen wir die wachsende Nachfrage nach Rechen- und Speicherkapazität befriedigen, andererseits müssen wir Ressourcen schonen. Die gewöhnliche Mikroelektronik, auf der digitale Geräte aufbauen, hat viele Schwächen, insbesondere was den Stromverbrauch betrifft.

Daher erkunden Forschungsgruppen völlig neue Konzepte, die unsere herkömmliche Technologie ersetzen könnten. Zum Beispiel Skyrmionen: magnetische Wirbel, die im Jahr 2009 erstmals experimentell realisiert wurden. Seither lassen sich Skyrmionen immer besser kontrollieren – bis hin zur Steuerung einzelner Wirbel. Das bringt sie konkreten Anwendungen näher.

Skyrmionen gehören zu dem wachsenden Forschungsgebiet der Spintronik. Der Name lehnt sich an die herkömmliche Elektronik an, bei der Information in Form von elektrischem Strom verarbeitet wird. In der Spintronik nutzt man aber den »Spin« des Elektrons – sein magnetisches Moment – zusätzlich zur Ladung, um Informationen zu verarbeiten. Spintronische Bauelemente bestehen also aus Materialien, in denen Daten mithilfe magnetischer Momente verarbeitet werden.

Das bietet viele Vorteile: Während ein elektronisches Bauelement eine dauerhafte Stromversorgung benötigt, um Informationen zu erhalten, ist das bei spintronischen Geräten nicht der Fall. Außerdem lässt sich die Magnetisierung extrem schnell verändern, innerhalb von rund 10^–15 Sekunden. Das verbraucht Energien in der Größenordnung von wenigen Attojoule, also 10^–18 Joule.

Im Gegensatz zum Elektron ist das Skyrmion kein einzelnes Elementarteilchen; vielmehr setzt es sich aus mehreren Atomen zusammen, deren Spins eine spezifische Ausrichtung haben. Die Gesamtheit dieser Spins bildet die Form einer Scheibe oder eines winzigen Zylinders. Doch auch wenn ein Skyrmion kein einzelnes Teilchen ist, verhält es sich als solches. Zum Beispiel lässt es sich als Ganzes bewegen. Deshalb bezeichnet man das Skyrmion als Quasiteilchen.

Klein und stabil

Skyrmionen können aus einigen Hundert Atomen bestehen und sind damit nur wenige Nanometer groß, was sie zu einem der kleinsten bekannten magnetischen Systeme macht. Wenn ein Skyrmion einer Informationseinheit entspricht, einem Bit, lässt sich eine Datendichte in Speichern erreichen, die der heutiger magnetischer Festplatten nahekommt – mit dem Vorteil, auch Berechnungen ausführen zu können. Damit lässt sich viel Strom sparen.

Klassische Computer bestehen aus einem Prozessor, der die Berechnungen durchführt, und einer Festplatte, welche die Informationen speichert. Die Datenübertragung zwischen diesen beiden Bauteilen erfordert viel Energie. Deshalb arbeiten Fachleute schon lange an bioinspirierten Bauelementen (darunter auf Basis von Skyrmionen), die wie die Neurone im Gehirn Informationen speichern und vor Ort verarbeiten.

Auch wenn Skyrmionen erst 2009 im Labor umgesetzt wurden, reicht das Interesse an ihnen lange zurück. Bereits in den 1960er-Jahren sagte der Kernphysiker Tony Skyrme solche stabilen Konfigurationen in Quantenfeldern voraus. Andere Fachleute zeigten Ende der 1980er-Jahre, dass diese Strukturen insbesondere in magnetischen Materialien entstehen könnten.

Zwar ist das Bild eines magnetischen Wirbels anschaulich, allerdings suggeriert es etwas Fragiles und Flüchtiges. Tatsächlich ähnelt das Skyrmion eher einem stabilen Knoten. Fachleute sprechen von »topologischem Schutz«. Der Begriff kommt aus der Mathematik: Die Topologie beschäftigt sich mit Verformungen, die bestimmte Merkmale eines Objekts bewahren, etwa die Anzahl seiner Löcher. So lässt sich ein Rettungsring zu einer Tasse verformen. Demnach haben beide Objekte dieselbe Topologie; sie besitzen nur ein einziges Loch. Dagegen können ein Ball (ohne Loch) und eine Brezel (drei Löcher) nicht zu einem Rettungsring geformt werden, ohne ihre Oberfläche zu zerreißen oder zusammenzukleben.

In ähnlicher Weise ist ein Skyrmion ein magnetisches Objekt, das man nicht einfach so verformen kann, damit es verschwindet. Man kann es sich wie einen Knoten in der Magnetisierung eines Materials vorstellen. Um die magnetische Textur aufzulösen, zu »zerreißen«, muss man Energie aufbringen. Das Skyrmion ist daher sehr stabil – ideal zum Speichern von Informationen.

Die Anordnung der Spins im Skyrmion ist der Schlüssel zu seinen topologischen Eigenschaften. Um das besser zu verstehen, kann man sich einen Ferromagneten vorstellen, dessen Atome sich wie kleine Einzelmagnete verhalten. Ein solches Material besteht aus sogenannten weissschen Bezirken, in denen die Spins benachbarter Atome alle in die gleiche Richtung zeigen. Wenn jeder Bezirk des Materials in dieselbe Richtung zeigt, hat man einen klassischen Magneten im großen Maßstab, ähnlich jenen, die an der Kühlschranktür haften. 

Ganz allgemein kann ein ferromagnetisches Material aber aus mehreren weissschen Bezirken bestehen. Betrachtet man ultradünne ferromagnetische Schichten, die etwa einen Nanometer dick sind, richten sich die Spins meist senkrecht zur Schichtenebene aus und zeigen entweder nach unten oder nach oben. An der Grenze zwischen zwei Bezirken mit unterschiedlicher Ausrichtung findet der Übergang zwischen den Spins jedoch nicht abrupt statt. Stattdessen dreht sich die Magnetisierung der Atome schrittweise von der einen in die andere Richtung.

Ein Skyrmion ist entsprechend durch einen zentralen Spin definiert, der beispielsweise nach oben zeigt, in einer Umgebung, in der die anderen Spins nach unten weisen. Die Spins um den zentral nach oben gerichteten sind umso stärker geneigt, je weiter man sich davon entfernt – bis sie schließlich alle nach unten ausgerichtet sind. Man erhält also eine magnetische Struktur mit kreisförmiger Geometrie.

Wirbel und Igel

Nicht alle magnetisierten Materialien bergen Skyrmionen. Wie sich herausstellt, braucht es eine bestimmte Wechselwirkung zwischen benachbarten Spins, die »Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung«. Je nachdem, wie diese Kraft wirkt, können zwei Arten von Skyrmionen entstehen: spiralförmige »Bloch-Skyrmionen« oder igelförmige »Néel-Skyrmionen«. Je nach ihrem Vorzeichen ändert sich auch der Drehsinn, die sogenannte Chiralität. Somit gibt es rechts- und linksdrehende Skyrmionen.

In einem dünnen Material treten Néel-Skyrmionen auf. Durchquert man ein solches Skyrmion mit rechter Chiralität von links nach rechts, ändert sich die Orientierung der Spins im Uhrzeigersinn. Im Fall eines linksdrehenden Skyrmions ändert sie sich gegen den Uhrzeigersinn.

In beiden Fällen vollführen die Spins entlang des Durchmessers des Skyrmions eine vollständige 360-Grad-Drehung. Das und die kreisförmige Geometrie verleihen dem Skyrmion seine topologischen Eigenschaften. Diese Spinanordnung ist nämlich aus topologischer Sicht nicht gleichwertig mit einer, bei der alle Spins in dieselbe Richtung zeigen. Man muss daher Energie aufbringen, um den magnetischen Knoten zu lösen und die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Atomen zu »brechen«. Das bedingt die Stabilität des Skyrmions.

Lange war unklar, ob Skyrmionen überhaupt existieren. Laut mathematischen Berechnungen sollten magnetische Strukturen, die Skyrmionen ähneln, instabil sein und sofort kollabieren. Doch 1989 fanden Alexei Bogdanov und Dimitri Yablonsky von der Ukrainischen Akademie der Wissenschaften eine Bedingung, die es bestimmten Materialien erlaubt, diese Instabilität zu überwinden. Wenn die Kristallstruktur eines Materials nicht punktsymmetrisch ist, dann tritt die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung auf und wirkt dem Kollaps des Skyrmions entgegen.

Auf diese mathematische Entdeckung folgte die Jagd auf Skyrmionen. Aber erst 2009, rund 20 Jahre nach diesen Vorhersagen, fanden Sebastian Mühlbauer von der Technischen Universität München und sein Team erstmals experimentelle Hinweise auf Bloch-Skyrmionen. Dafür kühlten sie ein dreidimensionales Material auf 29 Kelvin, also –244 Grad Celsius, ab und legten ein starkes Magnetfeld von 0,16 Tesla an. Zwei Jahre später detektierte das Team um Stefan Heinze von der Universität Kiel erstmals Néel-Skyrmionen in magnetischen Eisenschichten von der Dicke eines Atoms bei 11 Kelvin und 2 Tesla.

Und schließlich gelang es 2016 einer Forschungsgruppe um Olivier Boulle vom Labor Spintec in Grenoble, die ersten Skyrmionen bei Raumtemperatur und ohne äußeres Magnetfeld in einer dünnen Kobaltschicht nachzuweisen. Dieser entscheidende Fortschritt hat weltweit großes Interesse an der Spintronikforschung geweckt. Damit wuchs die Hoffnung, Skyrmionen als Informationsträger in künftigen Bauelementen zu nutzen.

Bei den ersten Versuchen mussten die Physiker ein äußeres Magnetfeld nutzen. Zudem trat die für das Entstehen von Skyrmionen notwendige magnetische Phase in den Materialien nur bei niedrigen Temperaturen auf. Doch die Entwicklung neuer Kristalle auf Eisen- und Kobaltbasis erlaubte es, die magnetischen Eigenschaften bei Raumtemperatur zu erreichen. Das vereinfacht die experimentellen Bedingungen: Typischerweise reicht die thermische Bewegung aus, damit Skyrmionen entstehen.

Die Materialien bestehen aus mehreren übereinandergestapelten Schichten, die mit rund einem Nanometer Dicke ultradünn sind. Im einfachsten Fall umfasst das System drei Lagen: unten ein Schwermetall, in der Mitte ein magnetisches Metall und oben eine Oxidschicht. Das Schwermetall wird so gewählt, dass seine elektrische und magnetische Eigenschaften die darüber befindlichen Skyrmionen steuern können.

Magnetische Igel führen

Indem man diesen Aufbau anpasst, lassen sich die Eigenschaften der Skyrmionen präzise verändern. Durch Einstellen der Dicke der drei Schichten und des Oxidationsgrads an der Grenzfläche zum magnetischen Metall kann man Stabilität, Größe und Chiralität der Skyrmionen modulieren. Stapelt man mehrere Dreifachschichten übereinander, entstehen sehr kleine Skyrmionen, die bei Raumtemperatur stabiler sind. Auf diese Weise erzeugten Constance Moreau-Luchaire und Vincent Cros von der Université Paris-Saclay im Jahr 2016 in zehn geschichteten Iridium-Kobalt-Platin-Lagen bei Raumtemperatur stabile Skyrmionen mit einem Durchmesser von 40 Nanometern.

Die thermische Stabilität ist entscheidend, damit die magnetischen Wirbel die gespeicherte Information nicht verlieren. Es ist jedoch ein Kompromiss nötig: Je stabiler ein Skyrmion, desto schwieriger ist es zu erzeugen, zu vernichten und zu steuern. Es braucht mehr Energie, um den topologischen Knoten zu lösen. Eine Idee, diese Schwierigkeit zu umgehen, besteht darin, die magnetischen Eigenschaften des Materials lokal anzupassen – etwa durch Anlegen einer elektrischen Spannung, die wenig Energie verbraucht, oder mittels lokaler Erwärmung durch gezielte Laserimpulse.

Das bietet einen weiteren Vorteil: Elektronische Bauelemente arbeiten in einem relativ großen Temperaturbereich von etwa –40 bis +85 Grad Celsius, während sich die Eigenschaften von Skyrmionen mit der Temperatur stark ändern. Durch lokale Einwirkungen ließen sich Skyrmionen auch in unterschiedlichen Umgebungen stabil betreiben.

Um Skyrmionen in konkreten Anwendungen zu nutzen, muss man sie erzeugen und vernichten sowie steuern können. Die magnetischen Wirbel müssen sich schnell und ohne viel Aufwand in bestimmte Richtungen bewegen lassen. Dabei haben Physikerinnen und Physiker in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht.

In einem elektrischen Strom können Skyrmionen Geschwindigkeiten von einigen Hundert Metern pro Sekunde erreichen. 2024 stellte der Physiker Olivier Boulle mit seinem Team einen Rekord auf, bei dem sich die Quasiteilchen mit rund einem Kilometer pro Sekunde bewegten. Ein Skyrmion braucht also circa zehn Nanosekunden, um einen elektronischen Schaltkreis der Größe von etwa einem Mikrometer zu durchqueren. Zum Vergleich: Die charakteristische Rechenzeit in einem Prozessorkern liegt bei einigen Zehnteln einer Nanosekunde.

In den 2010er-Jahren begannen Fachleute, mehrere Skyrmionen entlang eines Racetrack-Schaltkreises zu bewegen, einer eindimensionalen Geraden. Hierbei wird das logische Bit 1 durch die Anwesenheit eines Skyrmions codiert und die 0 entsprechend durch dessen Abwesenheit. Auf die Weise lassen sich Informationen schnell übertragen und effizient speichern. 2018 zeigten Teams um Albert Fert und Vincent Cros, dass sich der Durchgang einzelner Skyrmionen im Schaltkreis elektrisch detektieren lässt, was das Auslesen von Informationen erleichtert.

Indem man solche Schaltkreise mit vielfältigeren Formen anfertigt, lassen sich logische Operationen mit Skyrmionen realisieren. Ein Beispiel dafür ist das logische ODER-Gatter, bei dem Skyrmionen entlang zweier Pfade A und B zu einem Ergebnis fusionieren, dem Ausgangsbit. Dazu erzeugt man anfangs eine Reihe von Skyrmionen und bewegt sie durch Stromimpulse entlang der beiden Pfade. Wenn sich die Skyrmionen anschließend vereinigen, erhält man ein Skyrmion (Ausgangsbit 1), falls in A oder B (oder beiden) Pfaden ein Skyrmion enthalten war. Ein anderes Beispiel ist die skyrmionenbasierte Version eines Transistors, die das Team um Chanyong Hwang vom Koreanischen Forschungsinstitut für Standards und Wissenschaften im Jahr 2022 entwickelt hat.

Die vielen Fortschritte lassen darauf hoffen, dass Skyrmionen neuartige Bauelemente ermöglichen werden, die Informationen sowohl speichern als auch verarbeiten können

Doch um solche Bauteile in komplexeren logischen Schaltungen einzusetzen, ist es unerlässlich, einzelne Skyrmionen zu steuern. Gemeinsam mit unseren Kollegen haben wir gezeigt, wie sich das erreichen lässt.

Der elektrische Strom, der in der unteren Schwermetallschicht fließt, steuert das Skyrmion in der darüber befindlichen magnetischen Schicht. Die Bewegungsrichtung hängt aber auch von der inneren Struktur des Skyrmions ab, also davon, ob es sich um einen Néel- oder einen Bloch-Typ handelt und ob es rechte oder linke Chiralität besitzt. Ein Néel-Skyrmion wird in Richtung des elektrischen Stroms geschoben, während sich ein Bloch-Skyrmion senkrecht dazu bewegt. Zudem wird der genaue Pfad des Skyrmions durch seine Chiralität und das Schwermetall bestimmt, durch das der Strom fließt.

Das Skyrmion kehrt um

Skyrmionen lassen sich extrem schnell steuern, wenn man ihre Eigenschaften präzise anpasst. 2022 haben wir das nachgewiesen, indem wir eine Gate-Spannung senkrecht zur Ebene der magnetischen Schicht angelegt haben, welche die Skyrmionen enthält. Die Spannung kehrt das Vorzeichen der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung um. So haben wir durch wenige Volt Spannung Néel-Skyrmionen mit rechter Chiralität in solche mit linker Chiralität verwandelt – und umgekehrt. Das führte dazu, dass die Skyrmionen ihre Bewegungsrichtung änderten.

Anders als bei herkömmlichen Experimenten mit elektrischem Strom, bei denen alle Skyrmionen auf die gleiche Weise bewegt werden, kann die Gate-Spannung gezielt angelegt werden. Das ermöglicht die Steuerung einzelner magnetischer Quasiteilchen. Nur diese ändern dann ihre Chiralität und kehren ihre Bewegungsrichtung um.

Die zahlreichen Fortschritte der vergangenen Jahre lassen hoffen, dass Skyrmionen neuartige Bauelemente ermöglichen werden, die Informationen sowohl speichern als auch verarbeiten können. Diese magnetischen Quasiteilchen mit anpassbarer Größe, Stabilität, Struktur und Chiralität bieten zahlreiche Möglichkeiten – und können insbesondere den Energieverbrauch drastisch senken.

Forschende richten ihren Blick bereits auf Verallgemeinerungen von Skyrmionen. Diese sind nämlich zweidimensional. Es gibt aber auch dreidimensionale Quasiteilchen mit nichttrivialer Topologie, etwa »Kokons« und »Hopfionen«. Weil sie alle Raumdimensionen ausnutzen, sollten sich mit diesen Objekten Informationen noch dichter verpacken lassen.