Forschende der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben bedeutende Fortschritte in der Untersuchung von Schmelzvorgängen in zweidimensionalen magnetischen Strukturen gemacht. Ihr Hauptaugenmerk liegt auf Skyrmionen, kleinen magnetischen Wirbelstrukturen, die großes Potenzial für die Datenspeicherung bieten. Die Ergebnisse dieser bahnbrechenden Studie wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Mit einem magneto-optischen Kerr-Mikroskop konnten die Wissenschaftler den Schmelzvorgang von Skyrmionengittern detailliert beobachten. Dieser läuft nicht wie gewohnt durch eine Temperaturerhöhung ab, sondern erfolgt durch eine kontrollierte Änderung des Magnetfelds. Dabei schmilzt das Gitter in zwei entscheidenden Schritten: Zuerst verliert es die translatonale Ordnung, während die Skyrmionen noch in einer Gitterstruktur verbleiben. Danach kommt es zum Verlust der Orientierung, was zur vollständigen Auflösung des Gitters führt.
Die Relevanz von Skyrmionen
Skyrmionen wurden ursprünglich ab 1958 eingeführt, um die starke Wechselwirkung zwischen Protonen, Neutronen und Pionen zu erklären. Der Physiker Tony Skyrme postulierte, dass diese Teilchen als Wirbel in Pionenfeldern agieren. Bis etwa 1965 wurde jedoch klar, dass Protonen und Neutronen aus Quarks bestehen, was das Skyrmion-Modell in der Kernphysik obsolet machte. Ab den 1980er Jahren fand der Begriff jedoch in der Festkörperphysik und Teilchenphysik wieder Verwendung, insbesondere durch Edward Witten und die sogenannten Bag-Modelle für Hadronen.
Besonders interessant ist das Verhalten von Skyrmionen, die sich wie Teilchen oder Quasiteilchen mit endlicher Masse verhalten. Aktuelle Forschungen zeigen Stabile Skyrmionen sogar bei Zimmertemperatur und heben die Möglichkeit hervor, diese Strukturen in schnellen Informationsspeichern zu nutzen. Ihre Fähigkeit, höhere Datendichten zu ermöglichen, schnelle Lese- und Schreibzugriffe zu bieten und sich dabei energieeffizient zu verhalten, macht sie besonders attraktiv für die Zukunft der Datentechnologien.
Innovative Forschungsansätze und Ergebnisse
Die neuesten Forschungsergebnisse sind Teil eines größeren Projekts, das durch den ERC Synergy Grant 3D MAGiC sowie die Forschungsinitiative Rheinland-Pfalz unterstützt wird. Prof. Dr. Mathias Kläui, Direktor des Profilbereichs TopDyn an der JGU, leitet das Team, das sich intensiv mit der Topologie und Dynamik von Skyrmionen beschäftigt. Ihre Beobachtungen könnten nicht nur unser Verständnis der Schmelzvorgänge erweitern, sondern auch entscheidend für die Entwicklung zukünftiger Datenspeichertechnologien sein.
Zusätzlich sind auch im Bezug auf die Simulation von Skyrmionen innovative Ansätze zu verzeichnen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden entwickelt, um diese Strukturen computergestützt nachzubilden, was den Wissenschaftlern wertvolle Einblicke in ihre Stabilität und Wechselwirkungen gibt.
Die umfassenden Studien zu Skyrmionen sind ein Beispiel für die faszinierenden Entwicklungen in der modernen Physik. Angesichts der jüngsten Erfolge und der vielversprechenden Ergebnisse wird die wissenschaftliche Gemeinschaft weiterhin die Potenziale dieser einzigartigen magnetischen Strukturen erforschen.
