Forschung

Nanoschnüre aus Skyrmionen

06.10.2021 - Verdrillte Skyrmionen in Form langgezogener Wirbel in Metalllegierung entdeckt.

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“, freut sich der Jülicher Physiker Nikolai Kiselev. „Solche Strukturen im Inneren magnetischer Festkörper lassen einzigartige elektrische und magnetische Eigenschaften erwarten. Weitere Forschung ist jedoch nötig, um dies zu verifizieren.“

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.

FZJ / DE

 

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