Krümmungsinduzierte Effekte in magnetischen Nanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Huth; Dr. Attila Kakay; Dr. Denys Makarov
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 444929866

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Verhalten eines jeden physikalischen Systems wird durch seinen Ordnungsparameter bestimmt, dessen Verteilung von der Geometrie des physikalischen Raums – seiner Dimensionalität und Krümmung – abhängt. Die Erweiterung von 2D-Strukturen in den 3D- Raum ist ein allgemeiner Trend in vielen Disziplinen geworden und bietet Möglichkeiten, konventionelle Funktionalitäten zu modifizieren oder neue durch die Anpassung der Krümmung und Form magnetischer Dünnschichten und Nanodrähte zu schaffen. Das Hauptziel dieses Projekts war die Entwicklung neuartiger Verfahren zur Herstellung geometrisch gekrümmter Magnetschalen im niedrigen Mikrometer- und Submikrometerbereich sowie die experimentelle und mittels mikromagnetischer Simulationen durchgeführte Charakterisierung komplexer magnetischer Zustände und ihrer Dynamik. Die in diesem Projekt erzielten Methoden und Ergebnisse haben die Möglichkeiten der fokussierten elektronenstrahlinduzierten Abscheidung (FEBID) für die 3D-Nanofabrikation und Synthese funktioneller Materialien erheblich verbessert. Von schnellen Wachstumssimulationen über die ortsselektive Bildung von Heterostrukturen bis hin zu Precursorparameteroptimierungen und Studien magnetischer Anregungen adressieren die Ergebnisse nicht nur grundlegende Fragen, sondern eröffnen auch Wege für praktische Anwendungen in der Magnetik und Magnonik. Wir stellten weiter fest, dass konventionelle mikromagnetische Simulationen ungeeignet sind, um Spinwellen in FEBID-erzeugten Wellenleitern mit gekrümmten Magnetschalen zu untersuchen. Dieser Herausforderung begegneten wir durch die Entwicklung eines Finite-Elemente-Dynamikmatrix-Ansatzes, der einen direkten Vergleich von Simulationen mit Standardferromagnetresonanz- oder zeitaufgelösten Synchrotronmessungen ermöglicht. Die Suite numerischer Methoden wurde als Open-Source-Mikromagnetikmodellierungssoftwarepaket TetraX veröffentlicht und wird von mehreren Forschungsgruppen als primäres numerisches Werkzeug zur Untersuchung der Spinwellendynamik eingesetzt. Wir kombinierten Theorie, Simulationen und experimentelle Untersuchungen, um die durch die Topologie eines Objekts (Kugel, Torus, N- Torus) auferlegten Einschränkungen für das Magnetisierungsvektorfeld aufzuzeigen. Mithilfe von FEBID stellten wir magnetische Drahtgitter her, die homotop zu einer Kugel und einem N- Torus sind und magnetische Vortizes und Anti-Vortizes beherbergen. Wir identifizierten, dass in 3D-Geometrien der vorherrschende Typ magnetischer Solitonen Anti-Vortizes ist, die bei Wechselwirkung nicht annihiliert werden können; daher eignen sie sich für die Implementierung von Reservoir-, neuromorphen und magnonikbasierten Computern. Darüber hinaus validierten wir das Konzept des nichtlokalen chiralen Symmetriebruchs und demonstrierten dessen Unterschied zu bekannten lokalen chiralen Effekten wie der Dzyaloshinskii-Moriya- Wechselwirkung (DMI). Im Gegensatz zur DMI, die zu einer Verdrehung einer Textur führt, ermöglicht der nichtlokale chirale Symmetriebruch die Verformung der Textur, ermöglicht Texturen mit mehreren magnetochiralen Parametern und führt zu deren Kopplung. Diese Ergebnisse sind in 46 Publikationen zusammengefasst und wurden auf 27 Vorträgen präsentiert. Unsere Ergebnisse ebnen den Weg für Folgeprojekte, um die weiteren Implikationen von krümmungsinduzierten Phänomenen in 3D-Nanostrukturen zu erforschen.

Link zum Abschlussbericht

https://doi.org/10.34657/23702

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• New Dimension in Magnetism and Superconductivity: 3D and Curvilinear Nanoarchitectures. Advanced Materials, 34(3).
  Makarov, Denys; Volkov, Oleksii M.; Kákay, Attila; Pylypovskyi, Oleksandr V.; Budinská, Barbora & Dobrovolskiy, Oleksandr V.
  
• Spin-wave eigenmodes in direct-write 3D nanovolcanoes. Applied Physics Letters, 118(13).
  Dobrovolskiy, O. V.; Vovk, N. R.; Bondarenko, A. V.; Bunyaev, S. A.; Lamb-Camarena, S.; Zenbaa, N.; Sachser, R.; Barth, S.; Guslienko, K. Y.; Chumak, A. V.; Huth, M. & Kakazei, G. N.
  
• Curvilinear Micromagnetism. Topics in Applied Physics. Springer International Publishing.
  Makarov, Denys & Sheka, Denis D.
  
• 3D Magnonic Conduits by Direct Write Nanofabrication. Nanomaterials, 13(13), 1926.
  Lamb-Camarena, Sebastian; Porrati, Fabrizio; Kuprava, Alexander; Wang, Qi; Urbánek, Michal; Barth, Sven; Makarov, Denys; Huth, Michael & Dobrovolskiy, Oleksandr V.
  
• Site-Selective Chemical Vapor Deposition on Direct-Write 3D Nanoarchitectures. ACS Nano, 17(5), 4704-4715.
  Porrati, Fabrizio; Barth, Sven; Gazzadi, Gian Carlo; Frabboni, Stefano; Volkov, Oleksii M.; Makarov, Denys & Huth, Michael
  
• Three-dimensional magnetic nanotextures with high-order vorticity in soft magnetic wireframes. Nature Communications, 15(1).
  Volkov, Oleksii M.; Pylypovskyi, Oleksandr V.; Porrati, Fabrizio; Kronast, Florian; Fernandez-Roldan, Jose A.; Kákay, Attila; Kuprava, Alexander; Barth, Sven; Rybakov, Filipp N.; Eriksson, Olle; Lamb-Camarena, Sebastian; Makushko, Pavlo; Mawass, Mohamad-Assaad; Shakeel, Shahrukh; Dobrovolskiy, Oleksandr V.; Huth, Michael & Makarov, Denys
  
• 2025 roadmap on 3D nanomagnetism. Journal of Physics: Condensed Matter, 37(14), 143502.
  Gubbiotti, Gianluca; Barman, Anjan; Ladak, Sam; Bran, Cristina; Grundler, Dirk; Huth, Michael; Plank, Harald; Schmidt, Georg; van Dijken, Sebastiaan; Streubel, Robert; Dobrovoloskiy, Oleksandr; Scagnoli, Valerio; Heyderman, Laura; Donnelly, Claire; Hellwig, Olav; Fallarino, Lorenzo; Jungfleisch, M. Benjamin; Farhan, Alan; Maccaferri, Nicolò ... & Fernández-Pacheco, Amalio