Magnetische Wirbel kristallisieren in zwei Dimensionen

Kooperationsarbeit im Rahmen des ProfilbereichsTopDyn ebnet Weg zur Untersuchung von zweidimensionalen Phasen und Phasenübergängen

09.09.2020

Durch eine Zusammenarbeit von experimentellen und theoretischen Physikerinnen und Physikern im Rahmen des Profilbereichs Dynamics and Topology (TopDyn) der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist es gelungen, ein System von vielen kleinen magnetischen Wirbeln so zu präparieren, dass sie sich regelmäßig anordnen. Ein solcher Übergang von einer ungeordneten in eine geordnete Phase verläuft ähnlich wie eine Kristallisation, die hier allerdings in zwei Dimensionen stattfindet. Für die Forschungsarbeit haben Experimentalphysikerinnen und -physiker um Prof. Dr. Mathias Kläui und eine Gruppe theoretischer Physikerinnen und Physiker um Dr. Peter Virnau kooperiert. Die Ergebnisse wurden nun in dem Fachjournal Advanced Functional Materials veröffentlicht.

Zweidimensionale Systeme sind ein aktuelles Forschungsgebiet der theoretischen und experimentellen Physik. Sie können eine Reihe von exotischen Zuständen und Übergängen aufweisen, die es in drei Dimensionen gar nicht gibt. Ein Beispiel hierfür ist der Kosterlitz-Thouless-Übergang, für dessen Beschreibung im Jahre 2016 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde, oder die sogenannte hexatische Phase, die in Systemen aus zweidimensionalen harten Scheiben zwischen der flüssigen und der festen Phase angetroffen werden kann.

Zweidimensionales Modellsystem aus Skyrmionen erzeugt

Bei der jetzt vorgestellten Arbeit wurden magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, in sehr dünnen Metallfilmen erzeugt. Die Anzahl der Skyrmionen und deren Größe kann durch anliegende Magnetfelder variabel eingestellt werden. Dies sind ideale Voraussetzungen zur experimentellen Realisierung von dichten zweidimensionalen Modellsystemen. Dabei ist es gelungen, ein experimentelles System aus magnetischen Wirbeln zu erzeugen, das Anzeichen einer einsetzenden hexatischen Phase aufweist. Damit zeigt sich, dass es sich in der Tat um ein zweidimensionales System handelt, das effektiv als System von harten Scheiben beschrieben werden kann. Darüber hinaus konnten die abstoßenden Wechselwirkungen zwischen Skyrmionen mithilfe von Simulationen beschrieben und im Computer nachgestellt werden.

"Ich freue mich, dass die gemeinsame Arbeit zwischen der Soft-Matter-Theorie-Gruppe von Peter Virnau und uns in diese gemeinsame Veröffentlichung gemündet hat. Solche neuen Kooperationen sind genau das Ziel von TopDyn", so Prof. Dr. Mathias Kläui, Sprecher des Profilbereichs.

Da sich die Eigenschaften von Skyrmionen über externe Felder flexibel einstellen lassen, ist dies ein erster wichtiger Schritt zur gezielten Präparation und Untersuchung auch der Dynamik von zweidimensionalen Phasen- und Phasenübergängen. Perspektiven zu den Möglichkeiten solcher Systeme finden sich in einem kürzlich veröffentlichten News & Views Artikel in Nature Nanotechnology.

Der Profilbereich Dynamics and Topology wurde 2019 als Kooperation der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, der TU Kaiserslautern und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung Mainz gegründet. Er wird vom Land Rheinland-Pfalz finanziert und verfolgt einen ausgesprochen interdisziplinären Ansatz.