Forscher zwingen Magnetismus mit Ultrakurzpulslasern in dreidimensionale Strukturen

Zur Erfassung der Hopfionen wurden asymmetrische

Zur Erfassung der Hopfionen wurden asymmetrische „chirale" Kristalle verwendet. Bei diesen Kristallen handelt es sich um Filme aus Eisen-Germanium mit einer Dicke von 110 bis 200 Nanometern. Ihre spiegelbildliche Struktur zwingt magnetische Spins Anordnungen.

Da normale Energiebarrieren die Bildung verhindern, nutzte das Team ultrakurze Femtosekunden-Laserpulse, um das Spinsystem aus dem Gleichgewicht zu stoßen. Die Laser schüttelten die Elektronen des Materials gewaltsam aus ihrer Komfortzone. Die Strategie erwies sich als erfolgreich: Der plötzliche Stoß zwang die Spins zur Neuorganisation.

Als sich die Störung legte, stabilisierten sich die Spins zu eng verknüpften, geschlossenen Schleifen. Ein Hopfion war geboren. Die Bestätigung, dass die Bildung bedarf, wurde durch die Forscher durchgeführt. Sie griffen auf fortgeschrittene Elektronenmikroskopie zurück, um das Material in Echtzeit nach jedem Laserstoß zu beobachten.

Gleichzeitig wurde ein spezialisiertes Simulationsprogramm namens

Gleichzeitig wurde ein spezialisiertes Simulationsprogramm namens Excalibur eingesetzt, um „digitale Zwillinge" des Experiments zu erstellen.

Das Modell zeigte, wie sich Millionen wechselwirkender Spins entwickeln, um exakt dieselben magnetischen Muster wiederherzustellen. „Die Theorie half uns, die richtige Richtung zu finden, die Experimente machten die Strukturen sichtbar, und Simulationen sowie Topologie halfen uns, das zu interpretieren, was wir sahen", sagte Rybakov.

Diese Entdeckung ist für die Spintronik, ein Feld, das darauf abzielt, in der Rechenverarbeitung wärmeerzeugende elektrische Ströme durch den Elektronenspin zu ersetzen. Die neu entdeckten Hopfionen könnten als dreidimensionale Datenpakete dienen.

Technik und Auswirkungen

Falls dies gelingt, könnte dies den Weg für eine nächste Generation, die im Vergleich zu heutigen Silizium-Mikrochips deutlich dichter, schneller und energieeffizienter ist.

Um zu beweisen, dass dies kein Zufall war, wurde eine parallele Studie in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht, die dieselbe Laserlicht-Technik auf einem anderen chiralen Material anwandte. Dieses Mal gelang es erfolgreich, „Bimerons" zu erzeugen – den zweidimensionalen Verwandten des Hopfions.

Diese beiden Studien beweisen, dass Laser als vielseitiges Werkzeug zur Steuerung des Magnetismus in mehreren Dimensionen eingesetzt werden können. Die Hauptstudie wurde in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.