Magnetische Wirbel: doppelt interessant

SANS-1, Alfonso Chacon und Sebastian Mühlbauer Die neue magnetische Phase wurde am Instrument SANS-1 der Forschungs-Neutronenquelle Heinz-Maier-Leibnitz (FRM II) entdeckt und charakterisiert. Alfonso Chacon (l.) und Dr. Sebastian Mühlbauer bei Einstellungen am Detektor. © W. Schürmann / TUM

Die neue magnetische Phase wurde am Instrument SANS-1 der Forschungs-Neutronenquelle Heinz-Maier-Leibnitz (FRM II) entdeckt und charakterisiert. Alfonso Chacon (l.) und Dr. Sebastian Mühlbauer bei Einstellungen am Detektor. © W. Schürmann / TUM

Erstmals endeckt ein Forscherteam mit Hilfe von Neutronen am Instrument SANS-1 in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für die Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr stabil. Ähnliche Strukturen treten auch in magnetischen Systemen auf. In magnetischen Wirbeln ordnen sich die magnetischen Momente kreisförmig an. Diese sogenannten Skyrmionen sind nicht nur für die Grundlagenforschung sehr interessant – aufgrund ihrer Stabilität und geringen Größe könnten sie auch für die Entwicklung zukünftiger Magnetspeicher eine Rolle spielen.

Auch deshalb werden die magnetischen Wirbel aktuell intensiv erforscht. Die Frage, wann und wo sie auftreten, ist von besonderem Interesse. Ein Forscherteam der TU München, der Universität zu Köln und der TU Dresden konnte nun erstmals zeigen, dass magnetische Skyrmionen aufgrund unterschiedlicher Mechanismen mehrfach im gleichen Material auftreten können. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Physics berichtet es von deren Existenz in dem chiralen Magneten Cu₂OSeO₃ in der Nähe des absoluten Nullpunkts (-273,15 °C). Dazu muss jedoch ein Magnetfeld in eine bestimmte Raumrichtung angelegt werden.

Kleine Strukturen für kompakte Magnetspeicher?

„Skyrmionen finden sich normalerweise nur in einem einzelnen Bereich von Parametern (also in einem bestimmten Temperaturbereich oder einem Bereich magnetischer oder elektrischer Feldstärke). So ist das zumindest für alle Materialien in denen diese bislang beobachtet wurden,“ erläutert Professor Christian Pfleiderer vom Physik-Department der Technischen Universität München, der Leiter des Forschungsprojekts.

„Das bedeutet natürlich eine Einschränkung für die Herstellung und technische Nutzung von Skyrmionen, da sie nur stabil sind, wenn man die exakten physikalischen Parameter (z. B. Druck, Spannung oder Feld) zunächst findet und dann einhält. Jetzt haben wir in ein und demselben Material zwei unterschiedliche Skyrmionphasen entdeckt, die zwei getrennte Parameterbereiche aufweisen. Der neue Mechanismus galt als sehr schwach. Jetzt zeigt sich, dass es wesentlich mehr Möglichkeiten gibt Skyrmionen zu erzeugen und kontrollieren als wir bisher dachten.”

Skyrmionengitter Ein Gitter magnetischer Wirbel – sogenannter Skyrmionen – existiert auch bei tiefen Temperaturen im chiralen Magneten Die Pfeile repräsentieren die Richtung der lokalen Magnetisierung. © M. Garst / TU Dresden

Ein Gitter magnetischer Wirbel – sogenannter Skyrmionen – existiert auch bei tiefen Temperaturen im chiralen Magneten Die Pfeile repräsentieren die Richtung der lokalen Magnetisierung. © M. Garst / TU Dresden

Zweite Skyrmionenphase bei ganz tiefen Temperaturen

Alfonso Chacon entdeckte die neue Phase, als er an der Forschungs-Neutronenquelle der TUM die metastabilen Eigenschaften einer bereits bekannten Skyrmionenphase untersuchte und erklärt: „Dieses metabstabile Verhalten interessiert uns, weil wir daraus die Ursachen und Stärke der Stabilität der magnetischen Wirbel bestimmen können. Dies erlaubt zu verstehen, wie diese erzeugt oder gelöscht werden können. Bei diesen Messungen ist uns die neue Phase dann aufgefallen.”

„Bei tiefen Temperaturen spielt die Quantenphysik eine immer größere Rolle“, erläutert Dr. Markus Garst vom Institut für Theoretische Physik der TU Dresden. „Diese beeinflusst auch die physikalischen Eigenschaften der magnetischen Skyrmionen. Unsere Forschungsergebnisse erlauben es uns, Quantenwirbel in Magneten gezielt zu untersuchen.“

„Wir forschen schon seit gut einem Jahrzehnt zu Skyrmionen, am aktuellen Projekt seit etwa anderthalb Jahren, und haben eine tolle und erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den beteiligten Gruppen,“ erklärt Dr. Garst. „Die Münchner Kollegen machten ihre Beobachtungen mit Hilfe von Neutronenstreuung, die es erlaubt, magnetische Strukturen sichtbar zu machen. Wir haben dann in Zusammenarbeit mit Lukas Heinen und Achim Rosch aus Köln die experimentellen Ergebnisse theoretisch erklären können.“ Diese enge Kooperation zwischen Experiment und Theorie machte diese wissenschaftliche Entdeckung erst möglich.