Die Forscherinnen und Forscher haben aufgeklärt, wie sich die Topologie des magnetischen Systems dabei ändert. Wie sie im Fachjournal Nature Materials berichten, bieten die Ergebnisse fundamentale Einblicke in topologische Phasenübergänge und beflügeln neue Ideen, wie magnetische Skyrmionen für die Informationstechnologie genutzt werden können.
Magnetische Skyrmionen bezeichnen kleine Wirbel in der Magnetisierung von dünnen magnetischen Schichten, wo die Magnetisierung in verschiedene Richtungen zeigt, wie es in der ersten Abbildung gezeigt wird. Es stellt sich heraus, dass ein bestimmtes Magnetisierungsmuster durch seine Topologie charakterisiert werden kann – ein mathematisches Konzept, um die Form oder Geometrie eines Körpers, einer Menge oder – wie in diesem Fall – eines physikalischen Feldes zu beschreiben (siehe Infobox über Topologie). Wichtig ist, dass sich die Topologie eines Skyrmions von der eines Zustands unterscheidet, in dem die Magnetisierung überall in die gleiche Richtung ausgerichtet ist. Wenn sich also das Magnetisierungsmuster ändert, muss sich auch die Topologie des Systems ändern. Dieser Umstand trägt zur Stabilität der Skymionenwirbel bei und macht es schwer, sie schnell zu erzeugen.
Für seine Arbeit nutzte das Team zuerst Röntgen- und Elektronenmikroskopie, um die nanometer-großen Skyrmionen sichtbar zu machen. Dabei zeigte sich, dass ein einzelner Lichtpuls eines Lasers mit ausreichend hoher Intensität ausreicht, um Skyrmionen mit einer festgelegten Topologie – also einer bestimmten Wirbelform der Magnetisierung – zu erzeugen.
In einem zweiten Schritt gingen die Forscherinnen und Forscher der Frage nach, wie der Laserpuls die Änderung der Topologie hervorruft und wie genau der Übergang von einer gleichmäßigen Magnetisierung zu Skyrmionen vonstatten geht. Dazu führten sie Streuexperimente mit Röntgenstrahlen am Röntgenlaser in Hamburg (European XFEL) durch, bei denen die Ablenkung der Röntgenstrahlen durch die Skymionen gemessen wird. Indem die Physikerinnen und Physiker die magnetische Schicht zuerst mit einem optischen Laser und dann mit dem Röntgenlaser beschossen haben, konnten sie zeigen, wie sich die Größe und der Abstand der Skyrmionen mit der Zeit verändern. Überraschenderweise war die Änderung der Topologie schon nach 300 Pikosekunden beendet. Damit lief die Erzeugung der Skyrmionen schneller ab, als bisher für andere ferromagnetische Systeme beobachtet. Durch den Vergleich der experimentellen Daten mit theoretischen Simulationen konnte das Wissenschaftsteam außerdem erklären, wie die topologische Umwandlung zustande kommt. Der Laser heizt die magnetische Schicht bis zu einem Zustand, in dem die Magnetisierung in kleine, unabhängig von einander fluktuierende Bereiche aufbricht, in denen sich die Magnetisierungsrichtung rasant ändert. In diesem Zustand topologischer Fluktuationen ist die zu überwindende Energiebarriere für die Erzeugung von Skyrmionen stark abgesenkt und es entstehen und verschwinden ständig Skyrmionen. Wenn sich das System nach der Erhitzung durch den Laser wieder abkühlt, erstarren einige dieser Skyrmionenkeime und wachsen in der Folge zu der Größe, die in den mikroskopischen Aufnahmen beobachtet wurde.
