Preisträger

Magnetische Wirbel im Festkörper

Die emergenten Eigenschaften chiraler Magnete reflektieren Konzepte der Kern- und Elementarteilchenphysik.

  • Christian Pfleiderer
  • 09 / 2016 Seite: 47

Skyrmionen sind eine Art stabile Wirbel in physikalischen Feldern. Als topologisch nicht-triviale Spinkonfigurationen wurden sie erst kürzlich in der Mag­netisierung von Festkörpern entdeckt. Sie verbinden dabei die Grundlagenforschung über topologische Phasen mit aktuellen Fragen der angewandten Forschung wie der Kopplung von Spinströmen und mag­netischer Ordnung in der Spintronik.

Der Vorschlag des britischen Kernphysikers Tony H. R. Skyrme, Neutronen und Protonen (Fermi­onen) als nicht-lineare Anregungen von Pionen­feldern (Bosonen) zu deuten [1], blieb zunächst über 20 Jahre unbeachtet. Erst 1983 erkannten Adkins, Nappi und Witten das visionäre Potenzial dieses Modells für quantitative phänomenologische Betrachtungen in der Kernphysik und als Bindeglied zur Quantenchromodynamik [2]. Aus heutiger Sicht stellt Skyrmes Arbeit einen Meilenstein der theoretischen Physik dar, dessen Bedeutung weit über die Kernphysik hinausreicht und sich von der Elementarteilchenphysik bis zur harten und weichen kondensierten Materie erstreckt [3].

Zur Illustration, was ein Skyrmion auszeichnet, ist es hilfreich, einen behaarten Ball zu betrachten (Abb. 1): Unabhängig davon, wie man diesen kämmt, bleibt immer ein Wirbel zurück. Dieser ist eine besondere Charakteristik der Geometrie der behaarten Oberfläche des Balls und reflektiert deren nicht-triviale Topologie. Zudem sind Skyrmionen Solitonen, d. h. stark nicht-lineare, räumlich lokalisierte, stationäre Anregungen mit teilchenartigem Charakter [4].

Die Erforschung der topologischen Eigenschaften der kondensierten Materie ist von großer Aktualität. So ziehen, angefangen von Quanten-Hall-Systemen über topo­logische Isolatoren und Weyl-Metalle, geometrisch frustrierte Spinsysteme großes Interesse auf sich. Die Entdeckung von Skyrmionen in der Magnetisierung von Festkörpern [5, 6] ist eine neue Entwicklung, welche die Erforschung topologischer Phasen mit Anwendungen, z. B. in der Spintronik, verbindet. (...)

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