Untersuchung der fundamentalen Eigenschaften diskreter dreidimensionaler Teilskyrmionen in magnetischen Multilagen und ihrer Rolle in der Dynamik von topologischen Phasenübergängen

• Antragsteller: Professor Dr. Felix Büttner; Dr. Bastian Pfau
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505818345

Eines der faszinierendsten Phänomene in der Physik ist die Möglichkeit, dass aus großen Ensembles einfacher Einheiten qualitativ neues Verhalten (neue Materiezustände) entstehen kann, durch konkurrierende Wechselwirkungen. Der Magnetismus bietet in dieser Hinsicht eine besonders reiche Spielwiese, da eine Vielzahl konkurrierender Wechselwirkungen auf einen vektoriellen Freiheitsgrad treffen, durch den komplexe, topologisch nicht-triviale kollektive Zustände konstruiert werden können. Magnetische Skyrmionen sind ein Paradebeispiel für eine solche topologische Spinstruktur, deren kollektives Quasiteilchenverhalten sich stark von der Physik der einzelnen Spins unterscheidet (z. B. gyrotropische Ablenkung, Trägheit, topologische Dämpfung usw.). Während jedoch der Zoo der 2D topologischen Spinzuständen (Vortizes, Skyrmionen, Zielscheibenskyrmionen usw.) bereits gut erforscht ist, wird die Vielfalt in 3D gerade erst zugänglich. Hier schlagen wir vor, die Physik diskretisierter 3D- Partialskyrmionen zu untersuchen - die einfachsten Geschwister von Skyrmionen in magnetischen Mehrschichtmaterialien. Diese Zustände sind durch eine Skyrmionstruktur in einigen der magnetischen Schichten und eine topologische Trivialkonfiguration in anderen gekennzeichnet und stellen als solche eine konzeptionelle Neuheit im Vergleich zu jeder 2D-Textur dar. Wir bezeichnen diese Zustände als "diskretisiert", da in magnetischen Mehrschichtmaterialien abwechselnd magnetische und nichtmagnetische Schichten gestapelt werden. Damit ist die Existenz solcher Zustände ohne energetisch kostspielige Blochpunkte möglich. Unsere Studie ist motiviert durch unsere vorläufige Beobachtung solcher 3D-Zustände in aperiodisch gestapelten Multilayern und durch unsere Hypothese, dass dieselben Zustände für das Phänomen der ultraschnellen laserinduzierten topologischen Phasenübergänge verantwortlich sind, indem sie als Katalysatoren zur Überwindung der topologischen Energiebarrieren in 2D-Systemen dienen. Unser Ziel ist es, diese Hypothese zu validieren und auf dem Weg dorthin die grundlegenden physikalischen Eigenschaften von diskretisierten 3D-Partialskyrmionen aufzudecken. Unser Ansatz zeichnet sich durch Interdisziplinarität zwischen den Bereichen Materialwissenschaft (Erforschung des Stabilitätsphasenraums), hochentwickelte kohärente Röntgenbildgebung (Auflösung der 2D- und 3D-Spintexturen), Spintronik (Bestätigung der Quasiteilcheneigenschaften von 3D-Partialskyrmionen durch ihre Bewegung) und ultraschnelle Wissenschaft (Verfolgung des transienten Gradienten der magnetischen Eigenschaften und der vertikalen Ausbreitung der topologischen Umschaltung nach ultraschneller Laserbestrahlung) aus, und die Machbarkeit dieses Projekts ergibt sich aus der einzigartigen Expertise dieser deutsch-französischen Zusammenarbeit. Durch die gründliche Erforschung der einfachsten topologischen magnetischen 3D-Quasiteilchen wird unser Projekt zu einem Meilenstein in unserem Verständnis des 3D-Magnetismus.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Vincent Cros, Ph.D.; Dr. Nicolas Jaouen