Wirbel um eingefrorene Magneten

Suppe gefriert bei Minusgraden. Dabei bilden sich zuerst kleine Inseln an Eiskeimen. Ganz ähnlich verhalten sich magnetische Strukturen, die sogenannten Skyrmionen, wie Wissenschaftler mit Hilfe von Neutronen am MLZ erstmals herausgefunden haben.


Wissenschaftler am Instrument RESEDA.

Wissenschaftler am Instrument RESEDA. © Tobias Hase

Skyrmionen, zum ersten Mal entdeckt am FRM II, sind Verwirbelungen der Magnetisierung, die sich wie Schläuche durch ein magnetisches Material ziehen. Sie verhalten sich wie Teilchen und entstehen erst bei sehr tiefen Temperaturen. Wie genau das passiert, kann man sich noch nicht erklären. Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, haben Wissenschaftler vom Physik-Department der Technischen Universität München am MLZ in einer aufwendigen Untersuchung verschiedene Messmethoden miteinander kombiniert.

Inseln aus Wirbeln

Mangansillizium (MnSi) ist bei Skyrmionen das Material der Wahl. Denn Skyrmionen hat man hier schon zu Hauf bei tiefen Temperaturen gefunden. Doch wie bilden sich Skyrmionen beim Einfrieren? Um das zu beantworten, hat das Team zunächst gemessen, wie sehr das Material im Übergangsbereich magnetisierbar ist. Daraus schlossen die Physiker, dass es sich wie Eiskeime im gefrierenden Wasser um Inseln von entstehenden Skyrmionenkeimen handeln könnte. Das bedeutet, dass schon in der Übergangsphase räumlich begrenzte Gebiete von Skyrmionen entstehen. Das wollten sie sich genauer anschauen, weshalb die Proben zum FRM II wanderten.

Keime bilden sich und verschwinden wieder

Mithilfe der Kleinwinkelstreuung am Instrument SANS 1 konnten die Wissenschaftler die Größe der Keime ungefähr auf das 1000fache eines Siliziumatoms festlegen. Außerdem deuten die Messergebnisse darauf hin, dass sich die Keime im Übergangsbereich kurzzeitig bilden und wieder verschwinden, bis sie schließlich unter den geeigneten Bedingungen in die Skyrmionenphase kristallisieren. Um diese Vermutung zu untermauern, legten die Wissenschaftler die Proben in den Strahl des RESEDA, ebenfalls am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. Am RESEDA zeigten sie, dass diese Übergangsphase eine Nanosekunde dauert. Zu guter Letzt bestätigten Mikrowellenstrahlen, dass es sich um Skyrmionenkeime handelt.

Neutronen stützen Vermutungen

Zusammengenommen verraten die Messungen den Wissenschaftlern etwas ganz Wesentliches: Die Kristallisation erinnert nicht nur an die von Eis in Wasser, sondern auch von Flüssigkristallen und kann mit derselben Theorie beschrieben werden. Flüssigkristalle wiederum sind nicht nur unter Physikern verbreitet und gut verstanden, sie werden beispielsweise auch in LCD- Bildschirmen eingesetzt.

„Nur die Kombination von all diesen Messmethoden konnte uns auf dieses Ergebnis führen. Die Neutronen waren dafür ganz entscheidend und stützten unsere Vermutungen am Ende“, sagt Dr. Christian Franz, Instrumentwissenschaftler bei RESEDA und Mitautor der Veröffentlichung.

Mit der passenden Theorie an der Hand können sich die Wissenschaftler weiteren Untersuchungen stellen. Noch steht zum Beispiel nicht fest, ob die Ergebnisse auch für die ganze Materialklasse mit derselben Kristallstruktur gelten, oder ob eine neue Einteilung her muss. Aber auch für mögliche Anwendungen in der Datenspeicherung ist es wichtig die Entstehungs- und Vernichtungsprozesse von Skyrmionen zu verstehen.

 

Originalveröffentlichung:
J. Kindervater, I. Stasinopoulos, A. Bauer, F. X. Haslbeck, F. Rucker, A. Chacon, S. Mühlbauer, C. Franz, M. Garst, D. Grundler, and C. Pfleiderer, Weak Crystallization of Fluctuating Skyrmion Textures in MnSi, Phys. Rev. X 9, 041059, DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.9.041059