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hzbHFM • Building the Strongest Magnet­ in the World of Neutron Scattering

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Skyrmionen: Ganz schön verwirbelte Tennisbälle

Die ersten Tests hat der HFM bereits gemeistert, die ersten Proben wurden vermessen. Das heißt, der HFM wird bald eine Menge an interessanten Materialien zu Gesicht bekommen und dabei auch Skyrmionen kennenlernen. Dieser exotische Name beschreibt stabile Wirbel in magnetischen Materialien. Da wir sie mathematisch wie Teilchen mit einer Masse behandeln können, gelten Skyrmionen als Quasiteilchen - so wie Phononen gerne als Teilchen für Schallwellen herangezogen werden.

Die ersten Arbeiten zu diesen Wirbeln entwickelte der Namensgeber Tony Skyrme, ein theoretischer Physiker. Entsprechend komplex gestaltet sich die Mathematik hinter diesem Modell. Christian Pfleiderer von der TU München hat im Podcast von Welt der Physik allerdings einen sehr anschaulichen Vergleich gefunden.

"Ein ganz einfaches Bild ist ein Tennisball. An einem Tennisball stehen die Härchen sozusagen nach außen ab. Wenn man jetzt versucht, den Tennisball so zu kämmen, dass man keinen Wirbel bekommt, geht das nicht. Was das Skyrmion also auszeichnet, ist die Tatsache, dass man so einen Wirbel auf dem Tennisball nachher einfach nicht los wird – der Tennisball besitzt eine topologische Eigenschaft."

Doch was verwirbelt sich da eigentlich? Die Atome in einem magnetischen Material können wir uns als kleine Kompassnadeln vorstellen. Jedes dieser Atome besitzt demnach zwei Pole. Diese Kompassnadeln richten sich nun, je nach Material oder angelegten elektromagnetischen Feldern, unterschiedlich aus. Bei Skyrmionen beobachten wir eine ringförmige Ausrichtung, also einen Wirbel.

skyrmionen Quelle: 2skyrmions by Karin Everschor-Sitte and Matthias Sitte - The Authors. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Commons - httpscommons.wikimedia.orgwikiFile2skyrmions.PNG#mediaFile2skyrmions.PNG

Allerdings interessieren sich nicht nur theoretische Festkörperphysiker für diese Strukturen, schnell wurde das Potenzial für digitale Speichermedien erkannt - insbesondere nachdem eine Forschergruppe vom Argonne National Laboratory es schaffte, Skyrmionen bei Zimmertemperatur zu erzeugen. Skyrmionen können mit sehr geringem Energieaufwand erzeugt werden und sind winzig klein - bloß einige Nanometer. Somit könnten besonders kleine und stromsparende Datenspeicher entwickelt werden. Denn die Skyrmionen sind stabil, die Wirbel auf dem Tennisball wird man nicht mehr los. Gelingt es also Information auf die Wirbel zu schreiben und diese wieder auszulesen, ist eine neue Form der Datenspeicherung geboren. Festplatten auf Skyrmionen-Basis könnten die aktuelle Speicherdichte verzehn- bis verhundertfachen, schätzen Hamburger Forscher. Doch bis dahin müssen die Skyrmionen und ihr Verhalten noch besser erforscht und verstanden werden.