ERC-Förderung für die Erforschung von dreidimensionalen magnetischen Nanostrukturen

Forschergruppe mit Beteiligung des Mainzer Experimentalphysikers Mathias Kläui erhält ERC Synergy Grant in Höhe von knapp 12 Millionen Euro

11. Oktober 2019

Der Experimentalphysiker Prof. Dr. Mathias Kläui von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) erhält gemeinsam mit Kooperationspartnern am Forschungszentrum Jülich und der Radboud University im niederländischen Nimwegen einen der hoch begehrten ERC Synergy Grants. In dem Projekt "3D MAGiC" wollen die Partner noch weitgehend unbekannte nanoskalige, magnetische Strukturen in drei Dimensionen aufspüren, die teilchenähnliche Eigenschaften besitzen und deren Existenz bislang nur in Grundzügen theoretisch vorhergesagt wurde. Synergy Grants sind ein Förderinstrument des Europäischen Forschungsrats (ERC), um anspruchsvolle Forschungsfragen aufzugreifen, die nur durch die Kooperation einer kleinen Gruppe von zwei bis vier Projektleitern bearbeitet werden können. Die Gruppe in Mainz wird sechs Jahre lang mit über drei Millionen Euro gefördert. Die Gesamtförderung für "3D MAGiC – Three-dimensional magnetization textures: Discovery and control on the nanoscale" beträgt 11,8 Millionen Euro.

Die Fragen, wie allgemein Teilchen erzeugt werden, welche Eigenschaften sie aufweisen und wie sie sich in einem umgebenden Feld verhalten, zählen zu den ganz zentralen Themen der Physik. Das gilt in astronomischen Dimensionen für Sterne, Exoplaneten und schwarze Löcher im Gravitationsfeld bis zu den subatomaren Skalen der Elementarteilchen. Dazwischen liegen Atome, Moleküle und Quasi-Teilchen auf der Nanoskala wie die sogenannten topologischen magnetischen Solitonen, deren Eigenschaften von den Gesetzen der Quantenmechanik und des Elektromagnetismus bestimmt werden.

Noch rätselhaft: Dreidimensionale magnetische Solitonen

Die dreidimensionalen magnetischen Solitonen, die die Forscher nun im Rahmen des ERC Synergy Grant untersuchen wollen, gelten als äußerst rätselhafte Objekte. Es handelt sich um wenige Nanometer große Magnetwirbel, die nur innerhalb bestimmter Festkörpern auftreten und über die sehr wenig bekannt ist.

"Die ersten Magnetwirbel, die vor ein paar Jahren nachgewiesen wurden, waren zweidimensional. Nun stehen wir an einer Schwelle, an der es möglich wird, diese Teilchen auch in drei Dimensionen experimentell zu bestimmen und unser Ziel ist es, unsere Methoden der Elektronenholographie dahingehend zu erweitern", erklärt der Sprecher des Projekts Prof. Dr. Rafal Dunin-Borkowski, Direktor des Ernst Ruska-Centre und Direktor am Peter Grünberg Institut am Forschungszentrum Jülich.

In "3D MAGiC" stehen unter anderem die sogenannten Hopfionen im Fokus, eine spezielle Art von Solitonen: "Diese neuartigen Teilchen kann man sich wie einen verdrehten oder verknoteten Schnürsenkel vorstellen. Je mehr Schleifen sie enthalten, desto höher ist die Hopfionenzahl", konstatiert Prof. Dr. Stefan Blügel, Direktor am Institute for Advanced Simulation und am Peter Grünberg Institut des Forschungszentrums Jülich.

Interessant für künftige Anwendungen: Die Hopfionenzahl kann theoretischen Überlegungen zufolge viele verschiedene Werte annehmen, was die Teilchen zu hocheffektiven Informationsträgern macht. Versammelt man viele solcher Teilchen in einem Material, entsteht ein großer Speicher für Informationen, dessen räumliche Ausdehnung eine vielfältige Vernetzung über Spinwellen in alle drei Raumdimensionen möglich macht – ein Konzept, das sich in zwei Dimensionen so nicht realisieren lässt. Aus dem Grund sind sie möglicherweise geeignete Kandidaten für innovative Ansätze auf dem Gebiet des neuromorphen Computing, die sich am Vorbild des – ebenfalls extrem vernetzten – Gehirns orientieren. Solche Thematiken werden auch in dem Mainzer Zentrum "Research Center for Emergent Algorithmic Intelligence" untersucht, das kürzlich mit Förderung der Carl-Zeiss-Stiftung gegründet wurde.

ERC-Projekt ergänzt Mainzer Profilbereich TopDyn

Um dem Ziel näher zu kommen, werden in Mainz in der Gruppe von Mathias Kläui Systeme aus magnetischen Heterostrukturen hergestellt, in denen diese Solitonen existieren. Die Teilchen werden dann durch zeitaufgelöste Mikroskopie mit Elektronen und Röntgenstrahlen charakterisiert. "Ich freue mich über die Möglichkeit, mit hervorragenden Kollegen dieses spannende Forschungsfeld zu erschließen. Das große wissenschaftliche Potenzial von diesen topologisch nicht trivialen Solitonen ergänzt perfekt die Forschung in unserem neuen, vom Land Rheinland-Pfalz geförderten Profilbereich TopDyn – Topology and Dynamics", betont Mathias Kläui.

Der vierte Partner Prof. Dr. Theo Rasing von der Radboud University ist Spezialist für die ultraschnelle Manipulation und Charakterisierung von magnetischen Nanostrukturen mittels Laserimpulsen und wird unter anderem erforschen, wie sich der Laser für das unkonventionelle Rechnen mit 3-D-Teilchen wie Hopfionen nutzen lässt. Als außereuropäischer Partner ist zudem Prof. Xiaoyan Zhong von der Tsinghua Universität in Peking, China, beteiligt. Er wird gemeinsam mit den Antragstellern an einer Erweiterung der Messmethoden arbeiten.

Höchstdotierte Fördermaßnahme für bahnbrechende Pionierforschung

ERC Synergy Grants sind die am höchsten dotierte ERC-Förderung mit bis zu 10 Millionen Euro, in Ausnahmefällen bis zu 14 Millionen Euro für ein Projekt mit sechsjähriger Laufzeit. Insgesamt wurden in der diesjährigen Ausschreibung 37 Vorschläge angenommen. Die Mittel werden für bahnbrechende Pionierforschung an Gruppen von zwei bis vier Wissenschaftlern und ihren Teams vergeben. Die Förderung erhalten nur Forscher, die bereits wissenschaftliche Erfolge vorweisen können. Ausschlaggebend für die Förderung des ERC ist allein die wissenschaftliche Exzellenz der Forschenden und ihres Forschungsprojekts.

Mathias Kläui studierte Mathematik und Physik an der RWTH Aachen und der University of Cambridge, Großbritannien. In Cambridge promovierte Kläui später auch, bevor er als Postdoc am IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon in der Schweiz tätig wurde. Nach Stationen an der Universität Konstanz und in der Schweiz wurde er im Jahr 2011 an die Johannes Gutenberg-Universität Mainz berufen. Hier ist Prof. Dr. Mathias Kläui seit 2012 Direktor der Exzellenz-Graduiertenschule Materials Science in Mainz (MAINZ) und seit 2019 auch von TopDyn – Topology and Dynamics, das im Rahmen der Forschungsinitiative des Landes Rheinland-Pfalz gegründet wurde. Er wurde 2014 Gründungsdirektor des Gutenberg Nachwuchskollegs (GNK), das sich der Förderung herausragender Nachwuchswissenschaftler widmet.