Technik

Skyrmionen bei Raumtemperatur? Warum du jetzt Fe3GaTe2 kennen musst

von Artisan Baumeister · 20. April 2025

Forschende am Max-Planck-Institut entdecken stabile Néel-Skyrmionen in einem 2D-van-der-Waals-Magneten – bei über 300 K. Damit könnte Fe3GaTe2 zum Wegbereiter energieeffizienter Chips und Quantentechnologien werden.

Inhaltsübersicht

Einleitung
Wie Skyrmionen sichtbar werden – und warum Fe3GaTe2 besonders ist
Die Physik hinter dem Phänomen: Warum Fe3GaTe2 stabil bleibt
Von der Nische zur Industrie: Spintronik und darüber hinaus
Fazit

Einleitung

Chiral magnetische Nano-Vortices, sogenannte Néel-Skyrmionen, galten bislang als empfindliche Teilchenphysik-Kuriosität – stabil nur bei tiefen Temperaturen. Nun aber sorgt ein Experiment aus Halle (Saale) für Aufsehen: Forschende des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik weisen solche Skyrmionen erstmals in einem ultradünnen Magnetmaterial bei Raumtemperatur nach. Die Materialbasis: Fe3GaTe2, ein 2D-van-der-Waals-Magnet mit ungewöhnlich hoher Curie-Temperatur und nicht-zentrosymmetrischer Kristallstruktur. Für die Spintronik – also die Nutzung von Elektronenspins in Computerbauteilen – könnte das ein entscheidender Impuls sein: Datenverarbeitung mit Skyrmionen verspricht geringeren Energieverbrauch und mehr Geschwindigkeit. Doch was genau steckt hinter diesem Durchbruch, und was bedeutet er für Alltagstechnologien oder gar Quantenrechner?

Wie Skyrmionen sichtbar werden – und warum Fe3GaTe2 besonders ist

Was passiert, wenn ein 2D-Magnet bei Raumtemperatur plötzlich komplexe Magnetwirbel ausbildet, die sich unter dem Elektronenmikroskop nachweisen lassen? Genau das demonstrierten Forschende am Max-Planck-Institut – mithilfe präziser Materialanalysen und fein abgestimmter Messtechniken. Der Stoff im Fokus: Fe3GaTe2, ein van-der-Waals-Material, das sich auf atomarer Ebene als überraschend stabiler Spielplatz für sogenannte Néel-Skyrmionen erwies.

Der wohl direkteste Nachweis gelang durch Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie (LTEM). Diese spezielle Bildgebung erlaubt es, magnetische Texturen auf Nanometerskalen abzubilden. So konnten die Forschenden eindeutig chirale magnetische Nano-Vortices erkennen – die typischen rotationssymmetrischen Muster, die auf die Anwesenheit von Néel-Skyrmionen hindeuten.

Um sicherzustellen, dass diese Strukturen keine Artefakte waren, kam ergänzend Röntgenbeugung (XRD) zum Einsatz. Damit wurde belegt, dass die Kristallstruktur von Fe3GaTe2 stabil und eindeutig der Raumgruppe P3m1 zuzuordnen ist – eine Anordnung, die asymmetrische Spinwechselwirkungen wie die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI) überhaupt erst möglich macht.

Schließlich untermauerte die SQUID-Magnetometrie die Beobachtungen: Die Methode misst feinste magnetische Veränderungen und zeigte, dass diese Skyrmion-basierten Zustände bis zu 340 K erhalten bleiben. Das ist bemerkenswert – denn bisher ließen sich solche Phasen in vergleichbaren 2D-Magneten nur bei tiefen Temperaturen stabilisieren.

Kurz gesagt: Fe3GaTe2 zeigt, dass Raumtemperatur-Magnetismus und chirale Skyrmionen kein Widerspruch sein müssen. Eine Tür zur Spintronik mit energiesparenden Speichern und sogar Anwendungen im Quantencomputing öffnet sich hier – sichtbar gemacht durch Elektronen und präzise Messtechnik.

Die Physik hinter dem Phänomen: Warum Fe3GaTe2 stabil bleibt

Was macht Fe3GaTe2 so besonders, dass es chiral magnetische Nano-Vortices selbst bei Raumtemperatur tragen kann? Die Antwort beginnt auf atomarer Ebene – bei der Kristallstruktur.

Fe3GaTe2 kristallisiert in der Raumgruppe P3m1, also einer Struktur ohne Inversionszentrum. Klingt erstmal trocken, ist aber entscheidend: Ohne Symmetriezentrum darf hier physikalisch etwas passieren, das in vielen anderen Materialien unterdrückt wird – die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung (DMI). Sie wirkt wie eine Verschnaufpause vom sonst üblichen kollinearen Magnetismus und begünstigt stattdessen wendelförmige Ausrichtungen von Spins. Genau diese Verdrillung der Spins ist es, die einem Skyrmion seine charakteristische Textur verleiht.

Aber Struktur allein reicht nicht. Der Trick an Fe3GaTe2: Es enthält zusätzlich mehr Eisen als nötig – eine sogenannte Eisen-Selbstinterkalation. Das bedeutet, dass zusätzliche Eisenatome zwischen die Schichten im van-der-Waals-Material eingebettet sind. Diese erhöhen nicht nur die Magnetisierung, sondern schieben auch die Curie-Temperatur auf etwa 370 K – also deutlich über Raumtemperatur. Damit bleibt das System ferromagnetisch stabil in einem Temperaturbereich, in dem die meisten 2D-Magnete längst entmagnetisiert wären.

Die Kombination aus nicht-zentrosymmetrischem Kristallgitter, starker DMI und hoher Eisenkonzentration schafft die perfekten Bedingungen für langlebige, raumtemperaturstabile Néel-Skyrmionen – ein echter Quantensprung für die Spintronik und potenziell für energiesparende Speicher und Quantencomputing gleichermaßen.

Von der Nische zur Industrie: Spintronik und darüber hinaus

Die Beobachtung stabiler Skyrmionen bis 340 K in Fe3GaTe2 markiert mehr als nur einen Meilenstein der Grundlagenforschung – sie stößt eine Tür auf, durch die die Spintronik nun in Richtung industrieller Anwendbarkeit treten kann. Warum? Weil funktionierende spinbasierte Bauteile bei Raumtemperatur bisher die Ausnahme waren. Und genau hier liegt der Unterschied: Dieses 2D-Material liefert nicht nur labortaugliche, sondern auch alltagstaugliche magnetische Nano-Vortices.

Eine der spannendsten Perspektiven ist die Entwicklung von energiesparenden Speichern, bei denen Néel-Skyrmionen Informationen nicht nur effizienter, sondern auch wesentlich dichter gespeichert werden könnten als in herkömmlichen Flash-Speichern. Ihre Stabilität bei höheren Temperaturen – möglich durch die verstärkte Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung und die hohe Curie-Temperatur dank Eisen-Selbstinterkalation – macht sie dabei robuster gegen Umwelteinflüsse. Ein logischer nächster Schritt: logikfähige Skyrmion-Schaltungen, die magnetische Zustände anstelle elektrischer Ladungen als Informationsbasis nutzen.

Gleichzeitig bietet das System einen Blaupause-Effekt für andere van-der-Waals-Materialien. Die Methodik – von der Synthese bis zur hochauflösenden Magnetbildgebung – lässt sich auf verwandte 2D-Magnete übertragen. Genau hier könnte der anschlussfähige Technologiekorridor zum Quantencomputing entstehen, etwa durch hybride Strukturen mit quantenkohärenten Zuständen und topologischen Schutzmechanismen.

Kurz gesagt: Was bislang als labiles Nischenphänomen galt, bekommt mit Fe3GaTe2 industrielle Konturen. Die technologische Relevanz dieser Entdeckung liegt in ihrer Realisierbarkeit – und in ihrem Potenzial, die Art, wie wir Rechnen und Speichern, neu zu denken.

Fazit

Die Entdeckung stabiler Néel-Skyrmionen in Fe3GaTe2 könnte einen Wendepunkt in der Entwicklung neuartiger Computerarchitekturen markieren. Denn erstmals lässt sich ein exotisches magnetisches Quantenobjekt in einem zweidimensionalen Material bei Temperaturen beobachten, die für den Alltagsgebrauch geeignet sind. Damit ist der Weg geebnet für realistisch einsetzbare skyrmionische Bauelemente – effizienter, schneller und potenziell integrativ in bestehende Halbleitertechnologien. Noch ist es ein weiter Weg bis zur marktreifen Anwendung, doch die Grundlagenforschung zeigt, dass physikalisch Machbares auch technisch realisierbar sein kann – solange die industrielle Anschlussfähigkeit mitbedacht wird.

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