Der zugrundeliegende Effekt ist das sogenannte Spin-Bahn-Drehmoment: Der Strom übt eine Kraft auf die magnetischen Momente im Material aus und kann sie so kontrolliert umschalten. Dieser Effekt soll zukünftig für neue Datenspeicher und Rechenarchitekturen genutzt werden. Eine besonders interessante Variante sind winzige Magnetisierungswirbel, sogenannte Skyrmionen, die sich mit solchen Strompulsen erzeugen und durch das Material bewegen lassen. Bislang nahm man an, dass diese Prozesse geordnet und vorhersehbar ablaufen – wie eine wohleinstudierte Choreographie.
Einem Team aus Forschenden des Max-Born-Instituts, des Ferdinand-Braun-Instituts, der Universität Augsburg und des Helmholtz-Zentrums Berlin ist es nun gelungen, die Wirkung von kurzen Strompulsen auf ein Skyrmion direkt sichtbar zu machen. Dafür nutzten die Forschenden eine spezielle Form der Röntgenmikroskopie mit extrem kurzen Röntgenblitzen an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III von DESY in Hamburg. So entstand ein Film aus Pikosekunden-kurzen Schnappschüssen der Magnetisierung während und nach einem Strompuls mit einer räumlichen Auflösung von wenigen Nanometern. Damit die flüchtigen Vorgänge überhaupt erfassbar wurden, präparierten die Forschenden mit einem fokussierten Helium-Ionenstrahl eine nur 100 Nanometer große Stelle in der Probe. An diesem Punkt entsteht bei jedem Strompuls zuverlässig ein Skyrmion von ungefähr derselben Größe.
Das überraschende Ergebnis: Oberhalb einer bestimmten Schwelle für die Stärke eines Strompulses zerfällt das Skyrmion für wenige Nanosekunden in separate Teile und entwickelt sich als turbulentes, ungeordnetes Magnetisierungsmuster weiter. Begleitende Computersimulationen bestätigen dieses chaotische Verhalten und liefern noch detailreichere Einblicke in die schnellen Vorgänge auf der Nanometerskala. In diesem instabilen Regime beobachteten die Forschenden auch erstmals den seit Jahren vorhergesagten Effekt des sogenannten „Skyrmion-Shedding“. Dabei werden magnetische Wirbel wiederholt von der präparierten Stelle abgeschnürt und ins umgebende Material entlassen, ähnlich wie sich Wirbel von einem Hindernis im Wasserstrom ablösen.
Bemerkenswert ist, dass dieses kurze Chaos das Endergebnis nicht stört: Am Ende jedes Strompulses entsteht zuverlässig ein Skyrmion an derselben Stelle. Die beobachteten kurzzeitigen Turbulenzen verändern jedoch das Bild grundlegend, das sich Forschende bislang vom mikroskopischen Ablauf strominduzierter magnetischer Schaltprozesse gemacht haben. Zugleich eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten, wie etwa magnetische Strukturen gezielt über solche Instabilitäten zu erzeugen oder das Chaos selbst für neuartige Rechenkonzepte wie „probabilistisches Computing“ nutzbar zu machen.
