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.