Die turbulente Entstehung magnetischer Nanowirbel

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 Heliumionen­strahl eine nur hundert Nanometer große Stelle in der Probe. An diesem Punkt entsteht bei jedem Strompuls zuverlässig ein Skyrmion von ungefähr derselben Größe.

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Knoten in der Magnetisierung

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 „Skyr­mion-Shed­dings“. 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. [MBI / dre]