Der experimentelle Nachweis von Sprüngen in Kristallen offenbart neue technische Möglichkeiten.

Newswise – Hopfion-Strukturen, magnetische Spinstrukturen, die seit Jahrzehnten vorhergesagt werden, sind in den letzten Jahren zu einem heißen und herausfordernden Forschungsthema geworden. In einer Studie veröffentlicht in Natur Heute hat die schwedisch-deutsch-chinesische Forschungskooperation den ersten experimentellen Beweis erbracht.

„Unsere Ergebnisse sind aus grundlegender und angewandter Sicht wichtig, da eine neue Brücke zwischen experimenteller Physik und abstrakter mathematischer Theorie entstanden ist, die zu Anwendungen von Hopfionen im Bereich der Spintronik führen könnte“, sagt Philip Rybakov, ein Forscher in der Abteilung für Physik. und Astronomie an der Universität Uppsala, Schweden.

Ein tieferes Verständnis der Funktionsweise verschiedener Materialkomponenten ist wichtig für die Entwicklung innovativer Materialien und zukünftiger Technologien. Beispielsweise hat der Bereich der Spintronikforschung, der den Spin von Elektronen untersucht, vielversprechende Möglichkeiten zur Kombination der Elektrizität von Elektronen und Magnetismus für Anwendungen wie neue Elektronik usw. eröffnet.

Magnetische Hopfen und Hopfen sind topologische Strukturen – gut lokalisierte Feldkonfigurationen, die aufgrund ihrer einzigartigen teilchenähnlichen Eigenschaften im letzten Jahrzehnt ein heißes Forschungsthema waren und sie zu vielversprechenden Objekten für spintronische Anwendungen machen. Skyrmionen sind zweidimensionale, wirbelartige fadenförmige Strukturen, während Hopfionen dreidimensionale Strukturen innerhalb des Volumens einer magnetischen Probe sind, die im einfachsten Fall geschlossenen, verdrehten ringförmigen, donutförmigen Skyrmionketten ähneln (Abbildung 1). .

Trotz umfangreicher Forschung in den letzten Jahren wurde über die direkte Beobachtung magnetischer Sprünge nur bei synthetischen Materialien berichtet. Diese vorliegende Arbeit ist der erste experimentelle Nachweis solcher stabiler Zustände in einem FeGe-Kristall vom B20-Typ mithilfe von Transmissionselektronenmikroskopie und Holographie (Abbildung 2). Die Ergebnisse sind hoch reproduzierbar und stimmen gut mit elektromagnetischen Simulationen überein. Die Forscher präsentieren eine einheitliche symmetrische Skyrmion-Hopfion-Klassifikation und geben Einblick in die Vielfalt topologischer Solitonen in chiralen 3D-Magneten.

Die Ergebnisse eröffnen neue Bereiche in der Experimentalphysik: Identifizierung anderer Kristalle, in denen Hopfionen stabil sind, Untersuchung der Wechselwirkung von Hopfionen mit elektrischen Strömen und Spinströmen, Hopfiondynamik und mehr.

„Da das Objekt neu ist und viele seiner interessanten Eigenschaften noch entdeckt werden müssen, ist es schwierig, Vorhersagen über spezifische Anwendungen in der Spintronik zu treffen. Wir können jedoch spekulieren, dass Sprünge beim Upgrade in die dritte Dimension für fast eine größere Bedeutung haben könnten.“ Jede Technologie, die mit magnetischen Skyrmionen entwickelt wurde: Racetrack-Speicher (https://en.wikipedia.org/wiki/Racetrack_memory), neuromorphes Computing (https://en.wikipedia.org/wiki/Neuromorphic_engineering) und Qubits (die Grundeinheit von Quanteninformation). : „Im Vergleich zu Skyrmionen haben Springer aufgrund der 3D einen zusätzlichen Freiheitsgrad und können sich daher in drei statt in zwei Dimensionen bewegen.“