Hybride dreidimensionale Solitonen für Anwendungen

• Antragsteller: Dr. Nikolai S. Kiselev, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403502830

Chirale Magneten (ChM) stellen eine herausragende Klasse magnetischer Kristalle dar, mit einzigartigen Eigenschaften, welche sich deutlich von anderen magnetisch geordneten Systemen, wie üblichen Ferro- oder Antiferromagneten, hervorheben. Zu dieser Klasse magnetischer Kristalle gehören verschiedene Si- und Ge-basierte Legierungen wie beispielsweise MnSi, FeGe und β-Mn-Typ Co-Zn-Mn Legierungen. Nanostrukturierte dünne Schichten und Streifen solcher ChM weisen einzigartige Eigenschaften vor, deutlich verschieden von Kristallen makroskopischer Ausdehnung. Die verringerte Dimensonalität des Systems erlaubt einen nichttrivialen Stabilisationsmechanismus für teilchenartige Zustände bekannt als Skyrmionen (Sk) – vielversprechende Objekte für Anwendungen in der Spintronik. Kürzlich haben wir entdeckt, dass die Anwesenheit natürlicher geometrischer Einschränkungen des Kristalls, bzw. in anderen Worten die Anwesenheit freier Oberflächen, ebenfalls für die Stabilisierung einer weiteren Sorte stabiler teilchenartiger Objekte – dem chiralen Bobber (ChB) – verantwortlich ist. Solche hybride Teilchen sind zusammengesetzt aus einem kontinuierlichen Vektorfeld der Magnetisierung und einer magnetischen Singularität in gewissem Abstand zur freien Oberfläche. Aufgrund nontrivialer Spin-Textur und kompakter Größe der ChB stellen sie interessante Objete für die Grundlagenforschung und praktische Anwendungen dar. Das Ziel dieses Projekts ist eine theoretische und experimentelle Studie statischer und dynamischer Eigenschaften solcher hybriden Solitonen: ihre thermische Stabilität, paarweise Wechselwirkung, Spektrum ihrer Anregung in magnetischen Wechselfeldern, ihre Mobilität unter Einfluss elektrischer Ströme, Verhalten in Anwesenheit eines thermischen Gradienten und Wechselwirkung mit Spin-Wellen. Die theoretische Beschreibung wird sowohl auf üblichen Ansätzen mikromagnetischer Kontinuum-Theorie, als auch atomistischen Spin-Gitter Modellen basieren. Direkte Minimierung der Energie, Spin-Dynamik getrieben durch elektrische Ströme oder Magnetfelder, Monte Carlo Simulationen und Berechnung von Energiebarrieren, sowie weitere Methoden welche in unserer Gruppe entwickelt wurden, werden für die Erstellung von magnetischen Phasendiagrammen, Dispersionskurven, Energiebarrieren, Geschwindigkeitsabhängigkeiten etc. für ChBs angewendet werden.Diese theoretische Arbeit wird unterstützt von hochauflösenden quantitativen Messungen magnetischer Felder von Sks und ChBs durch Elektron-Holographie (EH) und Lorentz-Bildgebung durch Elektron-transmissions-Mikroskopie (TEM), welche den quantitativen Vergleich theoretisch vorhergesagten Effekten mit experimentellen Beobachtungen ermöglichen. TEM-Experimente werden am Ernst Ruska-Zentrum (ER-C) für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (www.er-c.org), welches ein nationales Nutzerzentrum für Elektronenmikroskopie und einer der Weltführer in Anwendung und Entwicklung fortgeschrittener Mikroskopie-Methoden ist, durchgeführt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2137: Skyrmionics: Topologische Spin-Phänomene im Realraum für Anwendungen
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Stefan Blügel; Professor Dr. Rafal E. Dunin-Borkowski; Dr. Andras Kovacs
• Kooperationspartner: Professor Dr. Olav Hellwig