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ERC Synergy Grant

Erforschung von „magischen“ 3D-Nanostrukturen

| Redakteur: Doris Popp

Die Physiker Prof. Rafal Dunin-Borkowski und Prof. Stefan Blügel vom Forschungszentrum Jülich haben erfolgreich einen ERC Synergy Grant des europäischen Forschungsrats, ERC, eingeworben. Im Projekt „3D MAGIC“ wollen sie gemeinsam mit Forschern der Universität Mainz sowie der niederländischen der Radboud-Universität Nimwegen noch weitgehend unbekannte nanoskalige, magnetische Strukturen in 3D aufspüren.

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Hopfionen: je mehr Schleifen, desto höher die Hopfionenzahl. Die Farben geben die Ausrichtung der Spins wieder, die für die Magnetisierung maßgeblich ist.
Hopfionen: je mehr Schleifen, desto höher die Hopfionenzahl. Die Farben geben die Ausrichtung der Spins wieder, die für die Magnetisierung maßgeblich ist.
(Bild: Forschungszentrum Jülich)

Jülich, Brüssel/Belgien – Der ERC Synergy Grant des europäischen Forschungsrats wird für zukunftsweisende Projekte vergeben, die aufgrund ihrer Komplexität nicht allein, sondern nur im Team bearbeitet werden können, und umfasst 11,8 Millionen Euro für sechs Jahre.

Die Fragen, wie Teilchen in die Welt kommen, 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 andere Teilchen auf der Nanoskala wie die so genannten topologischen Solitonen, die den Gesetzen der Quantenmechanik und des Elektromagnetismus unterworfen sind.

Die dreidimensionalen magnetischen Solitonen, die das Forscherteam nun untersuchen will, gelten als äußerst rätselhafte und herausfordernde Forschungsobjekte. Es handelt sich um 3D-Wirbel von hundert bis zu einigen Nanometern Größe, die nur innerhalb bestimmter magnetischer Festkörper auftreten, und über die noch weniger bekannt ist, als über schwarze Löcher im Universum.

„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.

Elektronenmikroskopie für die Erforschung dreidimensionaler Strukturen

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.

Der Namensgeber des Instituts und Mitbegründer der Spintronik, Peter Grünberg, wurde 2007 mit dem Nobelpreis geehrt für die Entdeckung eines Effekts, der für die Funktionsweise heutiger Festplatten grundlegend ist. Die Magnetisierung beeinflusst dabei den elektrischen Widerstand des Materials. Mit der Erforschung kleinster Strukturen wie der Skyrmionen und ihrer dreidimensionalen Verwandten gehen die Forscher um Stefan Blügel nun noch einen Schritt weiter. Sie wollen die nur wenige Atome großen Magnetstrukturen direkt als Informationsträger nutzen. Das ist extrem platzsparend und benötigt nur sehr wenig Energie. Strom wird nur noch eingesetzt, um die Skyrmionen von einem Platz zum anderen zu bewegen.

In „3D MAGIC“ wollen die Forscher nun Teilchen untersuchen, die möglicherweise noch über ein ungleich größeres Potenzial verfügen. Im Fokus stehen dabei u.a. die so genannten 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.

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