„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. Rafal Dunin-Borkowski, Direktor des Ernst Ruska-Centrum und am Peter Grünberg Institut (PGI-5) am Forschungszentrum Jülich.
Die Einrichtung am Forschungszentrum Jülich gilt als führende Adresse auf dem Gebiet der Elektronenmikroskopie, deren Spezialisten wie nur wenige andere Experten weltweit in der Lage sind, magnetische Strukturen mit einer Größe von wenigen Nanometern aufzulösen. In Zusammenarbeit mit den Theoretikern um Prof. Stefan Blügel gelang es vor zwei Jahren, neben zweidimensionalen Magnetwirbeln, den Skyrmionen, eine verwandte Form nachzuweisen, die sich über drei Dimensionen erstreckt.
„Das war im Grunde der Startpunkt. Da haben wir gesehen, diese theoretisch vorhergesagten dreidimensionalen Teilchen gibt es wirklich. Unserer Theorie zufolge sollte es aber auch noch ganz andere 3D-Teilchen geben. Wir haben die noch nicht gefunden, nicht charakterisiert, dazu gibt es praktisch gar nichts. Aber darum geht es in dem Projekt“, erklärt Stefan Blügel, Direktor am Institute for Advanced Simulation (IAS-1) und am Peter Grünberg Institut (PGI-1) des Forschungszentrums Jülich.
In „3D MAGIC“ wollen die Forscher nun Teilchen untersuchen, die möglicherweise noch über ein ungleich größeres Potenzial verfügen. Im Fokus stehen dabei unter anderem die sogenannten Hopfionen: „Diese neuartigen Teilchen kann man sich wie einen verdrehten oder verknoteten Schnürsenkel vorstellen. Je mehr Schleifen sie enthalten, desto höher ist die Hopfionenzahl“, konstatiert Stefan Blügel.
Um diesem Ziel näher zu kommen, haben sich die Jülicher Forscher in „3D MAGIC“ mit Prof. Mathias Kläui von der Universität Mainz und Prof. Theo Rasing von der niederländischen Radboud-Universität in Nimwegen zusammengeschlossen. Theo Rasing 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 3D-Teilchen wie Hopfionen nutzen lässt. Mathias Kläui verfügt über herausragende Expertise in der Herstellung von magnetischen Heterostrukturen, die es möglich machen, gezielt Materialien für ganz bestimmte magnetische Teilchen zu entwickeln, deren Dynamik er mithilfe von Elektronen und Röntgenstrahlen untersucht.
Als außereuropäischer Partner ist zudem Prof. Xiaoyan Zhong von der Tsinghua Universität in Peking, China, beteiligt, der bereits im Rahmen eines Austauschprogramms für Nachwuchswissenschaftler zur Entwicklung neuartiger Methoden der Elektronenmikroskopie am Jülicher Ernst Ruska-Centrum beigetragen. Im Rahmen des ERC Synergy Grants wird er nun weiter gemeinsam mit den Experten in Jülich an einer Erweiterung der Methoden arbeiten.
