Winzige magnetische Wirbel und eine ausgesprochen komplexe Magnetstruktur in drei Dimensionen könnten die Informationstechnologie verändern: Für die bislang nur theoretisch vorhergesagten Gebilde gelang einem internationalen Team aus Jülich, China und Schweden erstmals der experimentelle Nachweis. Exotische magnetische Strukturen wie etwa Skyrmionen werden auch als topologische Teilchen bezeichnet. Sowohl Skyrmionen als auch die nun neu nachgewiesenen Hopfionen lassen sich leicht innerhalb eines Kristalls bewegen, sind räumlich lokalisierbar wie echte Teilchen und können miteinander interagieren. Auf Grund ihrer räumlich stabilen Struktur gelten sie als viel versprechende Informationsträger der Zukunft – etwa für Computerspeicher mit hoher Dichte und energieeffiziente Schaltvorgänge oder in künstlichen neuronalen Netzen im neuromorphen Computing.

Die nun erstmals im Experiment erzeugten Hopfionenringe lassen sich reproduzieren, wie das Team um die Forscher Fengshan Zhen und Nikolai S. Kiselev im Magazin »Nature« berichtet. Das Besondere an den Hopfionen ist dabei ihre komplexe 3-D-Struktur: Sie scheinen ringförmig um Skyrmionfäden herum aufzutreten, zumindest konnten sie bislang noch nicht unabhängig von den schon früher bestätigten Skyrmionen beobachtet werden.

15 Jahre ist es her, dass die ersten Skyrmionengitter in magnetischen Festkörpern nachgewiesen werden konnten – zuvor waren diese Wirbel, die sich wie Teilchen endlicher Masse verhalten, nur als Modell in der theoretischen Physik bekannt. Der britische Physiker Tony Skyrme hatte das nach ihm benannte Modell bei Versuchen zur Starken Wechselwirkung 1958 eingeführt. Skyrme wollte die Starke Wechselwirkung, der Protonen, Neutronen und Pionen unterliegen, damit erklären, dass Protonen und Neutronen »Wirbel in Pionenfeldern« seien und nannte diese Wirbel Skyrmionen. Mit der Entdeckung der Quarks waren die Skyrmionen in der Kernphysik zwar Geschichte, in der Teilchen- und in der Festkörperphysik hingegen gelten sie weiterhin als interessantes Modell. Hier wurde seit den 1980er Jahren an ihnen geforscht, bis 2009 der erste Nachweis eines Skyrmionengitters in einem magnetischen Festkörper aus Mangansilizium gelang.

Exotische Magnetstruktur bereits vor Jahrzehnten vorhergesagt

Ein wesentlicher Unterschied zwischen den bereits bekannten Skyrmionen und ihren Geschwistern, den Hopfionen, ist ihre unterschiedliche Komplexität. So sind Skyrmionen zweidimensional angeordnet und stapeln sich im Inneren von Kristallen fadenförmig übereinander. Bei den neu nachgewiesenen Hopfionen handelt es sich um komplexere dreidimensionale Strukturen, bei denen sich Skyrmionenfäden zu winzigen Schleifen oder Knoten zusammenschließen. Ihre Existenz war bereits vor Jahrzehnten vorhergesagt worden, bisher konnten sie aber nur theoretisch behandelt werden.

»Hopfionenringe sind möglicherweise die komplexeste Struktur, die jemals in magnetischen 3-D-Kristallen beobachtet wurde«Nikolai S. Kiselev, Quantenphysiker

Die am Forschungszentrum Jülich durchgeführten Experimente haben daher zum ersten Mal gezeigt, dass Hopfionen in magnetischem Material vorkommen und offenbar an Skyrmionenfäden gekoppelt sind. Entlang dieser Fäden können die magnetischen dreidimensionalen Ringe sich auf- und abbewegen oder gemeinsam mit den Skyrmionen in jede andere räumliche Richtung. »Die von uns gefundenen Hopfionenringe sind möglicherweise die komplexeste Struktur, die jemals experimentell in dreidimensionalen magnetischen Kristallen beobachtet wurde. Sowohl das physikalische Phänomen selbst als auch die mathematische Eleganz der dahinterstehenden Theorie sind äußerst faszinierend«, erklärt Nikolai S. Kiselev vom Jülicher Peter Grünburg Institut (PGI-1).

Dabei war die größte Herausforderung der Versuchsaufbau: So berichtet der Erstautor der Veröffentlichung Fengshan Zhen in »Nature«, dass es nicht einfach gewesen sei, die richtige Form und Größe für die Proben zu finden und dass hunderte Stunden am Mikroskop nötig waren, um verschiedene Methoden zur Anregung des Systems zu probieren und schließlich die Hopfionenringe zu erzeugen. Zhen ist Juniorprofessor an der South China University of Technology in Guangzhou und hat den Großteil der Forschungsarbeit in Jülich durchgeführt. Erfolg hatten sie schließlich mit magnetischen Eisen-Germanium-Einkristallen.

Solche magnetischen 3-D-Strukturen dürften nicht nur in Eisengermanium, sondern in allen chiralen Magneten auftreten

Die Hopfionen, die die Forscher in den Experimenten am Forschungszentrum Jülich entdeckten, haben einen Durchmesser von weniger als zehn Nanometern. Das Plättchen, in dem sie nachgewiesen wurden, hat eine Kantenlänge von einem Mikrometer. Es wurde aus einem größeren, qualitativ hochwertigen Eisen-Germanium-Einkristall geschnitten, der am High Magnetic Field Laboratory in China hergestellt wurde. Solche Kristalle gehören zur Klasse der so genannten chiralen Magnete, ist der Pressemitteilung aus Jülich zu entnehmen: Die magnetischen Momente seien darin nicht wie üblich gleichmäßig, sondern entlang einer Achse spiralförmig angeordnet. Die Wissenschaftler gehen auf Grund von Modellrechnungen davon aus, dass die beobachteten magnetischen dreidimensionalen Strukturen nicht nur in Eisengermanium, sondern in allen chiralen Magneten auftreten dürften.

Computersimulationen bestätigten das Phänomen vorab

Die Existenz von Hopfionenringen ergibt sich aus den Gesetzen der Quantenmechanik und des Elektromagnetismus. Entsprechende Computersimulationen bestätigten das beobachtete Phänomen und lieferten den Wissenschaftlern auch eine Erklärung dafür, warum sie die Hopfionenringe in dem Probematerial nur in Verbindung mit Skyrmionensträngen beobachten konnten. Diese stabilisieren die Hopfionen offenbar und schützen sie vor dem Zusammenbruch.

Informationen werden auf einer herkömmlichen Festplatte gespeichert, indem der Eigendrehimpuls der Elektronen des Materials – ihr Spin – gleichmäßig nach oben oder unten gerichtet wird. Komplexe, strudelartige Anordnungen von Spins, so genannte topologische Solitonen, sind auf der Nanoskala stabiler als solche mit parallelen Spins, lautete bislang die Erwartung in der theoretischen Physik.

Grundsätzlich ist ein Soliton ein Wellenpaket, das sich ohne Änderung seiner Form durch ein dispersives und zugleich nicht lineares Medium bewegt – entdeckt wurden Solitonen zunächst durch besonders stabile Wellenformen in Kanälen und am Meer. Topologische Solitonen treten in vielen Systemen aus kondensierter Materie auf und sogar in der Bewegung von Proteinen und der DNA. Bislang waren jedoch nur 2-D- oder quasi-3-D-topologische Solitonen in realen Materialien beobachtet worden.

»Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung zukünftiger Datenspeicher und neuromorpher Computer«Stefan Blügel, Direktor des Peter Grünberg Instituts Jülich

Bei den Skyrmionen und Hopfionen handelt es sich um magnetische »Spin-Texturen« in 2-D und 3-D. Die Spins (Eigendrehimpulse) der Elektronen können strudelartige Anordnungen bilden, die als topologische Solitonen bezeichnet werden. Skyrmionen sind 2-D-topologische Solitonen, die in bestimmten magnetischen Materialien auftreten. Das Jülicher Forschungsteam induzierte ein 3-D-magnetisches, topologisches Soliton, das als Hopfionring bezeichnet wird und einem Toroid oder Donut ähnelt. Dem Team zufolge handelt es sich um einen Zufallsfund, allerdings könne man die Hopfionen nun nach dem entwickelten Protokoll jederzeit erzeugen. Die Beobachtung und Kontrolle der »Spin-Textur« von Hopfionenringen könnte eine neue Generation von hochdichten, energieeffizienten Rechen- und Speichergeräten ermöglichen. So gibt sich der Leiter des Peter Grünburg Instituts Stefan Blügel überzeugt, »dass diese Arbeit neue Möglichkeiten für die Entwicklung zukünftiger Datenspeicher und neuromorpher Computer eröffnet«.