Physiker erzeugen erstmals magnetische Hopfionen mit Laserlicht
Forschende erzeugen erstmals magnetische Hopfionen mit Laserlicht. Die 3D-Spinstrukturen könnten neue Speichertechnik ermöglichen.
Physiker beobachten erstmals stabile magnetische Hopfionen in FeGe-Schichten. Möglich wurde das durch Femtosekunden-Laser.
Foto: Philipp Rybakov
Magnetismus wirkt im Alltag simpel. Ein Magnet besitzt zwei Pole. Er zieht Metalle an oder stößt andere Magnete ab. Im Inneren magnetischer Materialien sieht die Situation jedoch deutlich komplizierter aus. Dort organisieren sich Elektronenspins zu komplexen Mustern. Manche davon existierten bislang nur in theoretischen Modellen. Jetzt ist Forschenden erstmals gelungen, sogenannte magnetische Hopfionen experimentell sichtbar zu machen.
Die Arbeit entstand in Zusammenarbeit von Forschungsgruppen aus Schweden, Deutschland, Luxemburg und China. Veröffentlicht wurde die Studie im Fachjournal Nature Physics. Entscheidend für den Nachweis waren ultrakurze Femtosekunden-Laserpulse, moderne Elektronenmikroskopie und aufwendige Computersimulationen.
Inhaltsverzeichnis
Was hinter einem Hopfion steckt
Ein magnetisches Hopfion ist eine dreidimensionale Spinstruktur. Die Spins der Elektronen richten sich dabei nicht einfach parallel aus. Stattdessen bilden sie verschlungene Schleifen innerhalb eines kleinen Materialbereichs.
Vereinfacht gesagt verhalten sich Spins wie winzige Kompassnadeln. In gewöhnlichen Magneten zeigen viele Spins grob in dieselbe Richtung. In einem Hopfion dagegen ändern sich die Richtungen kontinuierlich im Raum. Dadurch entstehen stabile topologische Strukturen, die sich nicht leicht zerstören lassen.
„Hopfionen sind aufgrund ihrer Struktur faszinierend. Es handelt sich um dreidimensionale Objekte aus Spins, die geschlossene und miteinander verbundene Schleifen bilden“, erklärt Philipp Rybakov von der Universität Uppsala. „Sobald sie entstehen, behalten sie ihre Form bei.“
Physikerinnen und Physiker, u.a. vom Forschungszentrum Jülich, hatten solche Zustände bereits vor Jahren theoretisch beschrieben. Der experimentelle Nachweis blieb jedoch schwierig. Das magnetische System erreicht solche Konfigurationen unter normalen Bedingungen kaum von selbst. Zunächst müssen bestimmte Energiebarrieren überwunden werden.
Ultrakurze Laserblitze bringen Spins aus dem Gleichgewicht
Den Durchbruch brachten Femtosekunden-Laserpulse. Eine Femtosekunde entspricht einem Millionstel einer milliardstel Sekunde. Die Pulse sind so kurz, dass sie magnetische Zustände gezielt stören können, bevor andere Prozesse im Material dominieren.
Das Forschungsteam untersuchte dünne Schichten aus Eisen-Germanium, kurz FeGe. Das Material gehört zu den chiralen Magneten. Dabei handelt es sich um Kristallstrukturen, die sich wie rechte und linke Hand verhalten. Sie bestehen zwar aus denselben Atomen, lassen sich aber nicht deckungsgleich übereinanderlegen. Diese Asymmetrie beeinflusst direkt die magnetische Ordnung im Material.
Im Experiment bestrahlten die Forschenden FeGe-Schichten mit einzelnen Laserimpulsen. Anschließend analysierten sie den Magnetzustand mithilfe hochauflösender elektronenbasierter Mikroskopie. Die Versuche ließen sich unter identischen Bedingungen mehrfach wiederholen. Dadurch konnten die Ergebnisse sauber überprüft werden.
Simulationen bestätigten die Struktur
Parallel zu den Experimenten liefen umfangreiche Simulationen. Zum Einsatz kam die Software Excalibur, die Wechselwirkungen zwischen Millionen Spins berechnen kann. Die berechneten Strukturen stimmten mit den experimentellen Beobachtungen überein.
Eine wichtige Rolle spielte außerdem die Topologie. Dieses mathematische Gebiet beschreibt Eigenschaften geometrischer Strukturen, die auch bei Verformungen erhalten bleiben. Vereinfacht geht es um stabile Verschlingungen und Knoten. Genau diese Eigenschaften machen Hopfionen interessant.
„Die Theorie half uns, die richtige Richtung einzuschlagen, die Experimente machten die Strukturen sichtbar, und Simulationen sowie die Topologie halfen uns, das Gesehene zu interpretieren“, sagt Rybakov.
Warum die Entdeckung relevant ist
Noch handelt es sich um Grundlagenforschung. Dennoch könnten die Ergebnisse langfristig für die Spintronik relevant werden. In diesem Forschungsfeld nutzen Bauteile nicht nur die elektrische Ladung von Elektronen, sondern auch deren Spin.
Hopfionen gelten dabei als interessant, weil sie:
- stabil bleiben,
- sich möglicherweise gezielt erzeugen lassen,
- dreidimensional aufgebaut sind,
- und dadurch neue Speicherarchitekturen ermöglichen könnten.
Die Forschenden testeten den laserbasierten Ansatz außerdem in weiteren chiralen Materialien. Dabei erzeugten sie sogenannte Bimerons. Diese zweidimensionalen Strukturen gelten als Verwandte der dreidimensionalen Hopfionen.
Die Arbeiten zeigen vor allem eines: Laserlicht könnte sich künftig als Werkzeug etablieren, um magnetische Zustände gezielt zu steuern und neue Spinstrukturen experimentell zugänglich zu machen.
„Mit Hilfe von Femtosekunden-Laserlicht haben wir nun eine Möglichkeit, den Magnetismus in diese komplexen Zustände zu versetzen“, sagt Rybakov. „Das ermöglicht es uns, magnetische Phänomene auf eine Weise zu erforschen, die zuvor nicht möglich war.“
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