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Die Einführung der Topologie – ein Zweig der Mathematik, der sich auf die Eigenschaften von «Knoten» konzentriert – in die Physik hat revolutionäre Konzepte wie topologische Phasen der Materie und topologische Phasenübergänge inspiriert, was 2016 zum Nobelpreis für Physik führte.
Magnetische Skyrmionen, nach dem Teilchenphysiker T. Skyrme benannte Spin-«Nanotornados» mit einzigartiger Topologie (d.h. Wicklungskonfigurationen, Abb. 1), haben im letzten Jahrzehnt sowohl wegen ihrer Bedeutung in der Fundamentalphysik als auch wegen ihrer vielversprechenden Anwendungen in der Magnetspeicherung der nächsten Generation wachsende Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Diese Nanotornados, die auch als Quasiteilchen bezeichnet werden (im Gegensatz zu Teilchen aus realer Materie wie Atome und Elektronen), können kristalline Strukturen bilden, d.h. sie ordnen sich periodisch und symmetrisch an, genau wie die Atome in einem Quarzkristall.
Aus Erfahrungen des täglichen Lebens wissen wir, dass ein kristalliner Festkörper, wie z.B. Eis, bei Erwärmung schmelzen kann. Man könnte auch feststellen, dass alle diese Schmelzübergänge in einem einzigen Schritt erfolgen, d.h. vom festen Zustand direkt in den flüssigen Zustand. Im Rahmen des topologischen Phasenübergangs in einem sehr dünnen Kristall kann ein Schmelzprozess jedoch in zwei Schritten erfolgen, über eine topologische Phase, die als hexatische Phase bezeichnet wird. Wie sieht eine solche topologische Phase aus, und wie läuft dieser Schmelzprozess ab?
Nun haben Physiker der EPFL einen Weg gefunden, den gesamten Schmelzprozess sichtbar zu machen, wie kürzlich in Nature Nanotechnology berichtet wurde. Forscher des Labors für Quantenmagnetismus (LQM), des Labors für ultraschnelle Mikroskopie und Elektronenstreuung (LUMES), des Centre Interdisciplinaire de Microscopie Électronique (CIME) und der Kristallzüchtungsanlage haben gezeigt, dass die Skyrmionkristalle in der Verbindung Cu2OSeO3 durch ein variierendes Magnetfeld in zwei Schritten geschmolzen werden können, wobei jeder Schritt mit einer bestimmten Art von topologischen Defekten verbunden ist.
Obere Tafel: Spin-Konfiguration eines Skyrmions. Untere Tafel: Voronoi-Tesselierung von repräsentativen Skyrmion-Gitterkonfigurationen in der festen, der hexatischen und der flüssigen Phase. Kredit: Huang Ping (XJTU)
Die Forscher verwendeten eine hochmoderne Technik namens Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie (LTEM), die magnetische Texturen in nanometrischer Auflösung abbilden kann, um Skyrmionen, die in einer sehr dünnen Platte aus Cu2OSeO3-Kristall bei -250 Grad Celsius eingebettet sind, sichtbar zu machen. Sie nahmen massive Bilder und Videos auf, wenn das Magnetfeld variiert wurde. Durch umfassende quantitative Analyse wurden zwei neuartige Phasen, die hexatische Phase des Skyrmions und die flüssige Phase des Skyrmions, nachgewiesen. Neue Phasen der Materie tragen oft die Chancen neuartiger Funktionalitäten in sich, und diese Arbeit ebnet durch ihre klare Betrachtung den Weg für weitere Forschung und Entwicklung.
Andere Mitwirkende
- Universität zu Köln