In magnetischen Materialien mit Kristallstrukturen ohne Inversionszentrum kann der Dzyaloshinskii-Moriya-Austausch zu helikalen oder konischen Spinausrichtungen führen. In manchen Fällen bilden sich sogar topologisch nicht-triviale Strukturen wie die sog. Skyrmionen aus (s. Abb.), die mit neuartigen elektronischen und magnetischen Transportphänomenen verknüpft sind und daher unter dem Begriff Skyrmionics eine innovative Art der spintronischen Datenspeicherung und -verarbeitung versprechen.
Sowohl aus fundamentalen Gesichtspunkten als auch für Anwendungen sind Dünnschichtsyteme und Nanostrukturen von großem Interesse. Mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie stellen wir dünne B20-Übergangsmetall-Silizid und -Germanid-Filme (MnSi, MnGe, FeGe u.ä.) her. Dabei interessieren uns vor allem die magnetischen und Transporteigenschaften beim Übergang vom Bulk hin zu niederdimensionalen Strukturen. Ziel ist es, die im Volumen stark eingegrenzte Skyrmionenphase im dünnen Film auf einen größeren Bereich im magnetischen Phasendiagramm auszuweiten.
Für spintronische Anwendungen ist eine Nanotrukturierung des Materials unabdingbar. Dies funktioniert jedoch nur, weil die epitaktischen Filme morphologisch von hoher Qualität mit Oberflächenrauigkeiten im Bereich von wenigen Nanometern sind. In einer Kollaboration mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt können wir mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographie definierte Nanostrukturen aus den Filmen erzeugen, die zum einen wohldefinierte Transportmessungen erlauben, zum anderen auch die Untersuchung von Grenzflächeneffekten ermöglichen.
Die nicht-zentrosymmetrische kristalline Struktur (B20) vieler Übergangsmetallsilizide führt über die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung zu einer helikalen Spin-Struktur mit einer an die absolute Kristallstruktur gekoppelte Chiralität. Aus Kleinwinkel-Neutronenstreu-Experimenten in Verbindung mit Magnetisierungsmessungen lassen sich magnetische Phasendiagramme solcher B20-Verbindungen ausmessen und grundsätzliche Konzepte chiraler Symmetrien, die an sehr vielen Stellen in der Natur eine Rolle spielen, untersuchen. Diese Projekte sind Kooperationen mit dem St.-Petersburg Nuclear Physics Institute und dem Helmholtz-Zentrum Geesthacht .
Für die Erforschung der intrinsischen Eigenschaften von Materialien spielt die Herstellung von möglichst perfekten Einkristallen eine entscheidende Rolle. Intermetallische Verbindungen und Silizide lassen sich unter anderem mit dem Tri-Arc-Czochralski-Verfahren herstellen. Hierbei werden Lichtbögen aus drei wassergekühlten Wolfram-Elektroden mit einer hochfrequenten Hochspannung berührungslos gezündet und jeweils über ein kommerzielles Schweißgerät betrieben. Die Anode bildet dabei die Schmelze in einem wassergekühlten Kupfertiegel, deren Temperatur sich sehr genau über die Leistung der Lichtbögen einstellen lässt.
Die entsprechend der Stöchiometrie eingewogenen Ausgangsmaterialien werden zuvor in einer separaten Lichtbogenschmelzanlage mehrfach aufgeschmolzen und gewendet, so dass hierbei ein bereits relativ gut durchmischter Polykristall entsteht, der anschließend in die Czochralski-Anlage eingelegt werden kann.
Auch an Einkristallen (B20-Materialien wie MnSi, Fe1-xCoxSi, Fe1-xMnxSi, aber auch Co8Zn6+yMn8-y-zFez) werden magnetische und Transportmessungen zur Untersuchung von Skyrmionen durchgeführt.
Die binäre Verbindung FeSi galt lange Zeit als der erste Kondo-Isolator, bei dem die lokalen Momente nicht durch f-, sondern durch d-Zustände verursacht werden. Die Untersuchung der elektronischen Korrelationen in diesem Material zeigen jedoch ganz deutlich, dass FeSi eher in einem Bandmodell zu beschreiben ist, in dem es durch elektronische Selbst-Energie-Effekte zu einer Renormalisierung der Zustandsdichten kommt. Solche Untersuchungen werden mit Hilfe von hochaufgelösten Photoemissionsmessungen sowie optischen Untersuchungen durchgeführt.