Schnüre aus Nanowirbeln in der Skyrmionen-Forschung entdeckt

Es wurde ein neues physikalis­ches Phänomen von einem Team von Wis­senschaftlern aus Deutsch­land, Schwe­den und Chi­na ent­deckt: kom­plexe schnur­för­mige Struk­turen aus Skyrmio­nen, winzi­gen Mag­netwirbeln. Skyrmio­nen waren vor gut 10 Jahren erst­mals exper­i­mentell nachgewiesen wor­den und sind seit­dem Gegen­stand zahlre­ich­er Unter­suchun­gen und eine mögliche Grund­lage für inno­v­a­tive Konzepte für eine Infor­ma­tionsver­ar­beitung mit höher­er Leis­tung und weniger Energie­ver­brauch. Außer­dem bee­in­flussen Skyrmio­nen die mag­net­tore­sis­tiv­en und ther­mo­dy­namis­chen Eigen­schaften eines Mate­ri­als. Die Ent­deck­ung hat deshalb Rel­e­vanz sowohl für die ange­wandte Forschung als auch für die Grundlagenforschung.
Schnüre, Fäden und Zopf­struk­turen sind all­ge­gen­wär­tig: vom Schnür­band im Schuh über den Woll­faden im Pullover, den Zopf auf dem Kopf bis zu dem Stahl­seil, das so manche Brücke trägt. Auch in der Natur sind solche Struk­turen ein ver­bre­it­etes Muster, das etwa Pflanzen­fasern Zug- oder Biege­fes­tigkeit ver­lei­hen kann. Physik­er des Forschungszen­trums Jülich und ihre Teamkol­le­gen aus Stock­holm und Hefei ent­deck­ten nun solche Struk­turen im Nanomaßstab in Legierun­gen aus Eisen und dem Halb­met­all Germanium.
Die Nanoschnüre beste­hen aus jew­eils mehreren Skyrmio­nen, die mehr oder weniger stark miteinan­der ver­drillt sind, wie die Stränge eines Taus. Skyrmio­nen wiederum beste­hen aus mag­netis­chen Momenten, die in unter­schiedliche Rich­tun­gen zeigen und zusam­men die Form eines langge­zo­ge­nen winzi­gen Wirbels ein­nehmen. Jed­er einzelne Skyrmion­strang hat weniger als einen Mikrom­e­ter Durchmess­er. Die Länge der Mag­net­struk­turen wird nur durch die Dicke der Proben begren­zt; sie reichen von ein­er Ober­fläche der Proben bis zur gegenüberliegenden.
Frühere Unter­suchun­gen ander­er Wis­senschaftler hat­ten ergeben, dass solche Fäden weit­ge­hend lin­ear, fast stabför­mig, geformt sind. Doch die ultra­hochau­flösenden mikroskopis­chen Unter­suchun­gen am Ernst Rus­ka-Cen­trum in Jülich und die the­o­retis­chen Unter­suchun­gen am Jülich­er Peter Grün­berg Insti­tut zeigten ein vielfältigeres Bild: Tat­säch­lich kön­nen die Fäden sich in ver­schieden­em Aus­maß miteinan­der ver­drillen. Die kom­plex­en For­men sta­bil­isieren die Mag­net­struk­turen, so die Forsch­er. Das macht sie beson­ders inter­es­sant für Anwendungen.

„Die Math­e­matik ken­nt eine große Vielfalt solch­er Struk­turen. Nun wis­sen wir, dass sich dieses the­o­retis­che Wis­sen in reale physikalis­che Phänomene umset­zen lässt. Solche Struk­turen im Inneren mag­netis­ch­er Fes­tkör­p­er lassen einzi­gar­tige elek­trische und mag­netis­che Eigen­schaften erwarten. Weit­ere Forschung ist jedoch nötig, um dies zu verifizieren.“
—  Dr Niko­lai Kiselev

Als Erk­lärung für die Diskrepanz ihrer Unter­suchun­gen zu den bish­eri­gen ver­weist der Forsch­er darauf, dass ultra­hochau­flösende elek­tro­nen­mikroskopis­che Unter­suchun­gen nicht ein­fach ein Abbild der Probe liefern, wie man es etwa von einem Licht­mikroskop ken­nt. Denn bei der Wech­sel­wirkung der hoch­en­er­getis­chen Elek­tro­nen mit denen der Probe kom­men quan­ten­mech­a­nis­che Phänomene ins Spiel.
„Es ist gut vorstell­bar, dass auch andere Forsch­er schon diese Struk­turen unter dem Mikroskop gese­hen haben, aber nicht inter­pretieren kon­nten. Denn aus den gewonnenen Dat­en kann man nicht direkt auf die Verteilung der Mag­netisierungsrich­tun­gen in der Probe zurückschließen. Stattdessen ist es nötig, ein the­o­retis­ches Mod­ell der Probe der zu erstellen und daraus qua­si ein elek­tro­nen­mikroskopis­ches Abbild zu erzeu­gen“, erläutert Kise­lev. „Stim­men the­o­retis­ches und exper­i­mentelles Bild übere­in, kann man schlussfol­gern, dass das Mod­ell in der Lage ist, die Real­ität abzu­bilden.“ Bei solchen ultra­hochau­flösenden Analy­sen gehört das Forschungszen­trum Jülich mit dem Ernst Rus­ka-Cen­trum zu den führen­den Insti­tu­tio­nen weltweit.