Untersuchung von Skyrmion – Quantum Diamond NV-Center AFM-Anwendungen

Können Sie sich eine Laptop-Festplatte in der Größe eines Reiskorns vorstellen? Skyrmion, eine mysteriöse Quasiteilchenstruktur im Magnetfeld, könnte diese scheinbar undenkbare Idee Wirklichkeit werden lassen, mit mehr Speicherplatz und schnelleren Datenübertragungsraten für dieses „Reiskorn“. Wie kann man diese seltsame Teilchenstruktur beobachten? Der CIQTEK Quantum Diamond Atomic Force Microscope (QDAFM), basierend auf dem Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV) in der Diamant- und AFM-Scanning-Bildgebung, kann Ihnen die Antwort geben.

 

 

Was ist Skyrmion?

 

Mit der rasanten Entwicklung großflächiger integrierter Schaltkreise, der Chipverarbeitung bis hin zur Nanometerskala, wird der Quanteneffekt nach und nach hervorgehoben und das „Mooresche Gesetz“ stößt an physikalische Grenzen. Gleichzeitig ist bei einer so hohen Dichte integrierter elektronischer Komponenten auf dem Chip das Problem der Wärmeableitung zu einer großen Herausforderung geworden. Die Menschen brauchen dringend eine neue Technologie, um den Engpass zu überwinden und die nachhaltige Entwicklung integrierter Schaltkreise voranzutreiben.

 

Spintronische Geräte können eine höhere Effizienz bei der Informationsspeicherung, -übertragung und -verarbeitung erreichen, indem sie die Spineigenschaften von Elektronen ausnutzen, was ein wichtiger Weg ist, das oben genannte Dilemma zu durchbrechen. In den letzten Jahren wird erwartet, dass topologische Eigenschaften magnetischer Strukturen und die damit verbundenen Anwendungen die Informationsträger spintronischer Geräte der nächsten Generation sein werden, was einer der aktuellen Forschungsschwerpunkte auf diesem Gebiet ist.

 

Das Skyrmion (im Folgenden als magnetisches Skyrmion bezeichnet) ist eine topologisch geschützte Spinstruktur mit Quasiteilcheneigenschaften und als besondere Art magnetischer Domänenwand weist seine Struktur eine Magnetisierungsverteilung mit Wirbeln auf. Ähnlich wie bei der magnetischen Domänenwand gibt es auch im Skyrmion einen magnetischen Momentumschlag, aber im Gegensatz zur Domänenwand ist das Skyrmion eine Wirbelstruktur und sein magnetischer Momentumschlag erfolgt von der Mitte nach außen, und die häufigsten sind vom Bloch-Typ Skyrmionen und Skyrmionen vom Neel-Typ.

 

Abbildung 1:  Schematische Darstellung der Struktur des Skyrmions. (a) Skyrmionen vom Neel-Typ (b) Skyrmionen vom Bloch-Typ

 

Das Skyrmion ist ein natürlicher Informationsträger mit hervorragenden Eigenschaften wie einfacher Handhabung, einfacher Stabilität, geringer Größe und hoher Fahrgeschwindigkeit. Daher wird erwartet, dass die auf Skyrmionen basierenden elektronischen Geräte die Leistungsanforderungen für zukünftige Geräte in Bezug auf Nichtflüchtigkeit, hohe Kapazität, hohe Geschwindigkeit und geringen Stromverbrauch erfüllen.

 

Was sind die Anwendungen von Skyrmionen?

 

Skyrmion-Rennstrecken-Speicher

Beim Racetrack-Speicher werden magnetische Nanodrähte als Spuren und magnetische Domänenwände als Träger verwendet, wobei elektrischer Strom die Bewegung der magnetischen Domänenwände antreibt. Im Jahr 2013 schlugen die Forscher den Skyrmion-Rennstreckenspeicher vor, der eine vielversprechendere Alternative darstellt. Im Vergleich zur Antriebsstromdichte einer magnetischen Domänenwand ist das Skyrmion um 5–6 Größenordnungen kleiner, was zu einem geringeren Energieverbrauch und einer geringeren Wärmeerzeugung führen kann. Durch die Komprimierung der Skyrmionen kann der Abstand zwischen benachbarten Skyrmionen und der Skyrmion-Durchmesser in der gleichen Größenordnung liegen, was zu einer höheren Speicherdichte führen kann.

 

Abbildung 2: Skyrmion-basierter Racetrack-Speicher

 

Skyrmion-Transistor

Skyrmionen können auch in Richtung Transistoren eingesetzt werden und eröffnen so neue Ideen für die Halbleiterentwicklung. Wie in Abbildung 3 dargestellt, wird an einem Ende des Geräts mithilfe eines MTJ (magnetischer Tunnelübergang) ein Skyrmion erzeugt, gefolgt von einem Spinpolarisationsstrom, um das Skyrmion zum anderen Ende zu treiben. Um den Schaltzustand des Transistors zu erreichen, ist in der Mitte des Gerätes ein Gate eingebaut. Durch Anlegen einer Spannung an das Gate wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die senkrechte magnetische Anisotropie des Materials ändern und so das Ein-/Ausschalten des Skyrmions steuern kann. Wenn keine Spannung angelegt wird, kann das Skyrmion durch das Gate zum anderen Ende des Geräts gelangen, und dieser Zustand wird als Ein-Zustand definiert; Wenn ein externes elektrisches Feld angelegt wird, passiert das Skyrmion das Tor nicht und dieser Zustand wird als Aus-Zustand definiert.

 

Abbildung 3: Skyrmion-Transistor

 

Skyrmion-basiertes unkonventionelles Computing

Im Vergleich zu herkömmlichen Recheneinheiten haben neuromorphe Recheneinheiten die Vorteile eines geringen Stromverbrauchs und einer groß angelegten Rechenleistung im Hinblick auf neuronale Netze. Um neuromorphe Recheneinheiten herzustellen, müssen sie die Anforderungen an Nanometergröße, Nichtflüchtigkeit und geringen Stromverbrauch erfüllen. Skyrmion bringt neue Möglichkeiten für solche Geräte. Skyrmion verfügt über eine kontrollierte Beweglichkeit, die biologische Nerven gut simulieren kann, und gleichzeitig kann Skyrmion den Verunreinigungs-Pegging-Effekt effizienter beseitigen, was sie robuster macht.

 

Abbildung 4:  (a) Skyrmion-basiertes neuronales Rechengerät (b) Skyrmion-basiertes stochastisches Rechengerät

 

Skyrmionen können auch in Zufallscomputergeräten verwendet werden. Während gängige Rechentechniken Werte im herkömmlichen Binärformat kodieren, kann Zufallsrechnen kontinuierlich einen zufälligen Bitstrom verarbeiten. Herkömmliche Halbleiterschaltungen nutzen zur Signalerzeugung eine Kombination aus Pseudozufallszahlengeneratoren und Schieberegistern, was den Nachteil hoher Hardwarekosten und geringer Energieeffizienz mit sich bringt. Forscher haben kürzlich sowohl theoretisch als auch experimentell eine thermisch induzierte Erzeugung von Skyrmionen entdeckt, die die Grundlage für Skyrmion-basierte Zufallsrechnergeräte bildet.

 

CIQTEK Quantendiamant-Rasterkraftmikroskop in der Anwendung der Skyrmion-Forschung

 

Die Untersuchung von Skyrmionen kann ohne geeignete Beobachtungstechniken nicht durchgeführt werden, und die folgenden Techniken werden üblicherweise zur Beobachtung von Skyrmionen im realen Raum verwendet:

Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie (LTEM), deren Prinzip darin besteht, einen Elektronenstrahl zu verwenden, um die Probe zu durchdringen und die Lorentz-Kraft auf die Elektronen aufzuzeichnen; Magnetkraftmikroskopie (MFM), bei der mithilfe einer Magnetspitze die magnetischen Feldkräfte auf der Probenoberfläche mithilfe von Techniken der Rasterkraftmikroskopie aufgezeichnet werden; Röntgenmikroskopie, deren Prinzip darin besteht, dass die Absorptionsrate von Röntgenstrahlen das Magnetfeld der Probe widerspiegeln kann; und magnetooptische Kerr-Mikroskopie (Moke), die den magnetooptischen Kerr-Effekt zur Messung der Magnetisierungsverteilung nutzt. Jedes dieser Beobachtungswerkzeuge hat seine Grenzen, wie z. B. die hohen Anforderungen an die Probengröße von LTEM, die schlechte räumliche Auflösung von Moke und die magnetischen Eigenschaften der MFM-Spitze, die die Abbildung von Skyrmionen beeinträchtigen können.

 

In den letzten Jahren hat die Existenz einer speziellen Defektstruktur in Diamanten, des Nitrogen-Vacancy (NV)-Zentrums, die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen. Die Intensität der Magnetfeldkomponente in der NV-Achse kann durch Manipulation und Auslesen des Quantenzustands des Elektronenspins des NV-Zentrums mittels Mikrowelle und Laser ermittelt werden.

 

Bei der NV-Zentrum-Rastersondenmikroskopie (SPM) handelt es sich um die Integration des NV-Zentrums im Diamant in die AFM-Sondenspitze, kombiniert mit der AFM-Scantechnik, um magnetische Domänenergebnisse auf der Probenoberfläche zu erhalten, mit den Vorteilen einer sehr hohen Empfindlichkeit (1 uT/ Hz1/2), räumliche Auflösung (10 nm) und Nichtinvasivität. Das NV SPM wird verwendet, um eine Vielzahl interessanter magnetischer Strukturen zu untersuchen, wie z. B. das Scannen magnetischer Wirbel-Heterodynfelder, was die Bestimmung der Polarität und Chiralität magnetischer Wirbelkerne ermöglicht; Messung der Konformation magnetischer Domänenwände und Beobachtung der Dynamik von Domänenwänden unter Modulation.

 

Ziel der Forscher ist es, neue Materialien zu untersuchen und ein Skyrmion herzustellen, das bei Raumtemperatur stabil, feldfrei, klein und leicht zu manipulieren ist. Das Diamond NV Center SPM eignet sich gut für die hochauflösende quantitative magnetische Bildgebung von Skyrmionen bei Raumtemperatur. 

 

Derzeit ist NV SPM recht erfolgreich bei der Untersuchung der Magnetisierungsstruktur von  Skyrmionen  und damit verbundenen physikalischen Prozessen. Zum Beispiel:

1) Rekonstruktion der Magnetisierungsstruktur anhand der Streufeldverteilung des Skyrmions.

Abbildung 5: NV-Rastersondenmikroskopie zur Auflösung der Magnetisierungsstruktur des Skyrmions 

(Maßstabsbalken: 500 nm)

2) Untersuchung der strukturellen Morphologie der Skyrmionen. Beispielsweise untersuchte Jacques‘ Gruppe die Skyrmion-Morphologie in ferromagnetischen Pt/FM/Au/FM/Pt-Mehrfachschichten.

 

Abbildung 6:  NV-Rastersondenmikroskop zur Untersuchung der Skyrmion-Morphologie

 

3) Beobachtung der intrinsischen kinetischen Entwicklung des Skyrmions. Beispielsweise untersuchte die Ania-Gruppe die Entwicklung des Skyrmions im Ta/CoFeB/MgO-System unter der Variation des externen Magnetfelds.

 

Abbildung 7:  NV-Rastersondenmikroskop zur Untersuchung des Skyrmions unter einem externen Magnetfeld

 

 

4) Untersuchung des kinetischen Prozesses strombetriebener Skyrmionen.

 

Abbildung 8:  NV-Rastersondenmikroskop zur Untersuchung der Dynamik strombetriebener Skyrmionen

 

CIQTEK NV Rastersondenmikroskop – Quantendiamant-Rasterkraftmikroskop (QDAFM), hat die einzigartigen Vorteile, dass es nichtinvasiv ist, einen weiten Temperaturbereich abdecken kann und einen großen Magnetfeldmessbereich aufweist. Es kann auf die zweidimensionale materielle magnetische Bildgebung, die Nanostrom-Bildgebung, die supraleitende Wirbel-Magnetbildgebung und die zellulare magnetische Bildgebung angewendet werden und verfügt über ein breites Anwendungsspektrum in der Quantenwissenschaft, Chemie und Materialwissenschaft sowie in der Biologie und Medizin Forschungsfelder.

 

CIQTEK Quantendiamant-Rasterkraftmikroskop

( Die Umgebungsversion und die kryogene Version)