Suche nach magnetochiralenen Reaktionen in kurvilinaren Geometrien
Theoretische Physik der kondensierten Materie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Zusammenspiel zwischen Geometrie und Topologie des Ordnungsparameters stellt ein grundlegendes Problem der weichen Materie und Festkörperphysik dar. Besonders stark korrelierte elektronische Systeme stehen im Fokus der Forschung, da sie einzigartige Möglichkeiten bieten, die Topologie koexistierender Vektorfelder durch geometrische Parameter zu beeinflussen. In der Magnetismusforschung wurden geometrische Effekte traditionell über die Gestaltung von Rändern adressiert, was Formanisotropien einführt und die Ausbildung nicht-trivialer magnetischer Texturen ermöglicht. Dank aktueller Fortschritte in der Nanofabrikation und Mikroskopie ist es nun möglich, Magnetisierungszustände direkt durch das Design dreidimensionaler (3D) Geometrien zu kontrollieren. Dennoch blieben magnetische Reaktionen solcher 3D-Strukturen in vielen Fällen komplex und nur unzureichend verstanden. Ziel dieses Projekts war es, ein grundlegendes Verständnis für magnetochirale Effekte in gekrümmten Magneten zu entwickeln und deren Einfluss auf topologisch nicht-triviale Texturen zu untersuchen. Dazu wurde die Theorie der „curvilinearen“ Magnetismen auf 3D-Nanomagnete erweitert. Experimentell konnten wir nicht-lokale chirale Symmetriebrechungen nachweisen, die durch magnetostatische Wechselwirkungen hervorgerufen werden. Mittels moderner Mikroskopietechniken in Kombination mit theoretischen Vorhersagen zeigten wir, dass der Vortex-Kern in asymmetrischen Nanodots eine homochirale Deformation mit endlicher Krümmung und Torsion aufweist. Zudem besteht eine wechselseitige Kopplung zwischen der Chiralität der Vortex-Linie und der magnetischen Helizität der Textur. Die beiden magnetochiralen Eigenschaften sind verknüpft, da das Vorzeichen der Torsion durch die Richtung der zirkulierenden In-Plane-Magnetisierung bei gegebener Polarität bestimmt wird. Vortex-Texturen in 3D-Objekten sind somit durch mehrere gekoppelte magnetochirale Parameter beschrieben. Im weiteren Projektverlauf entwickelten und validierten wir eine Strategie zur Realisierung komplexer Magnetisierungstexturen mit hoher Gesamtvortizität im Gleichgewicht. An freistehenden magnetischen Drahtgitterstrukturen (Wireframes) konnten wir mittels röntgenmagnetischer Mikroskopie zeigen, dass die Anzahl der stabilen Solitonen (Vortices und Antivortices) durch die topologische Euler-Charakteristik der Geometrie bestimmt wird. Durch gezielte strukturelle Modifikationen (z. B. Einführung zusätzlicher Löcher) lässt sich die Anzahl und Art dieser Solitonen steuern. Insgesamt zeigt das Projekt einen neuartigen Mechanismus der Symmetriebrechung, der ausschließlich auf geometrischer Asymmetrie in achiralen Magneten beruht. Es eröffnet neue Wege in der 3D-Spintronik und der topologischen Magnetismusforschung. Die Ergebnisse wurden in führenden Fachzeitschriften veröffentlicht und auf nationalen sowie internationalen Konferenzen vorgestellt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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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.
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Electronic materials with nanoscale curved geometries. Nature Electronics, 5(9), 551-563.
Gentile, Paola; Cuoco, Mario; Volkov, Oleksii M.; Ying, Zu-Jian; Vera-Marun, Ivan J.; Makarov, Denys & Ortix, Carmine
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Fundamentals of Curvilinear Ferromagnetism: Statics and Dynamics of Geometrically Curved Wires and Narrow Ribbons. Small, 18(12).
Sheka, Denis D.; Pylypovskyi, Oleksandr V.; Volkov, Oleksii M.; Yershov, Kostiantyn V.; Kravchuk, Volodymyr P. & Makarov, Denys
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Chirality coupling in topological magnetic textures with multiple magnetochiral parameters. Nature Communications, 14(1).
Volkov, Oleksii M.; Wolf, Daniel; Pylypovskyi, Oleksandr V.; Kákay, Attila; Sheka, Denis D.; Büchner, Bernd; Fassbender, Jürgen; Lubk, Axel & Makarov, Denys
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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
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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
