Forscher zwingen Magnetismus mit Ultrakurzpulslasern in dreidimensionale Strukturen

Es handelt sich um dreidimensionale Objekte aus Spins, die geschlossene und verknüpfte Schleifen bilden. Sobald sie entstehen, behalten sie ihre Form und sind weitgehend unbeeinflusst ", so Philipp Rybakov, Forscher am Institut für Physik und Astronomie der Universität Uppsala.

Dreidimensionale magnetische Strukturen: Magnetismus wurde lange Zeit wie eine einfache Einbahnstraße behandelt. Ein Kühlschrankmagnet zeigt in eine Richtung, eine Kompassnadel in eine andere, und die Informationen auf unseren Festplatten werden in einfachen, flachen Linien gespeichert. Auf der Nanoskala verhält sich Magnetismus jedoch viel komplexer.

Magnetismus entsteht durch den „Spin" – eine Quanteneigenschaft, die sich wie ein mikroskopischer innerer Kompass innerhalb jedes Elektrons verhält. Wenn unzählige solcher Spins in einem festen Material wechselwirken, entstehen natürlich stabile und komplexe Muster.

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Ein Hopfion ist eine stabile, dreidimensionale magnetische Struktur, bei der sich die Elektronenspins in einem begrenzten Raum in jede denkbare Richtung ausrichten.

Das Material stößt dabei auf enorme Energiebarrieren, die verhindern, dass es diesen Zustand Barrieren zu durchbrechen, setzte die Zusammenarbeit auf extreme Geschwindigkeit und nutzte Femtosekundenlaser. Eine Femtosekunde ist eine unvorstellbar kleine Zeitspanne, nämlich ein Millionstel eines Milliardstel einer Sekunde.

Zur Erfassung dieser Hopfionen wurden asymmetrische „chirale" Kristalle verwendet. Interessanterweise handelt es sich bei diesen Kristallen um 110–200 Nanometer dicke Filme aus Eisen-Germanium, deren spiegelbildliche Struktur magnetische Spins Anordnungen zwingt.

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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 perfekt. Der plötzliche Stoß zwang die Spins zur Neuorganisation.

Als sich die Staubwolke legte, stabilisierten sich die Spins zu eng verknüpften, geschlossenen Schleifen. Ein Hopfion war geboren. Anwendung in der Spintronik Die Bestätigung, dass die Bildung erfordert, 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 Excalibur eingesetzt, um „digitale Zwillinge" des Experiments zu erstellen.

Technik und Auswirkungen

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.

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

Was die Studie zeigt

Um zu beweisen, dass dies kein Zufall war, wurde eine parallele Studie in 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 Studie wurde in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.