Zerreißprobe für Hopfionen

Magnetische Knotenspiele: Physiker haben erstmals nachgewiesen, dass sich die exotischen Hopfion-Ringe kontrolliert zerteilen lassen – dies ist wichtig für künftige spintronische Computer und Datenspeicher. Hopfionen sind magnetische 3D-Strukturen in Materialien, die durch eine bestimmte Anordnung von atomaren Spins entstehen. Ähnlich wie Knoten gelten sie als topologische Strukturen, deren Grundmerkmale auch bei Deformation erhalten bleiben. Doch im Experiment konnten die Forscher dies überwinden.

Unter Magneteinfluss können manche Materialien exotische Spinstrukturen ausbilden – aus den atomaren Spins der Teilchen gebildete geometrische Gebilde mit speziellen, teilchenähnlichen Merkmalen. Dazu gehören wirbelähnliche Skyrmionen, aber auch die erst vor wenigen Jahren erstmals experimentell nachgewiesenen Hopfionen. Bei diesen handelt es sich um ringförmige 3D-Strukturen, die als magnetisches Pendant zu klassischen Knoten gelten.

Der Clou dabei: Solche Knoten sind topologische Objekte. Das bedeutet, dass sich ihre Grundmerkmale, wie beispielsweise die Zahl der Schlaufen und Fadenkreuzungen, nicht durch bloße Deformation verändern lassen. Wegen ihrer Stabilität gelten solche magnetischen Knotenstrukturen als vielversprechende Träger quantenphysikalischer Information, beispielsweise in Quantencomputern oder neuartigen Magnetspeichern. Dafür ist es jedoch nötig, die durch die sogenannte Hopf-Zahl ausgedrückte Topologie der Hopfionen aktiv zu kontrollieren.

Aus einem mach zwei oder vier

An diesem Punkt ist Physikern nun ein wichtiger Fortschritt gelungen. Ein Team um Shoya Kasai von der Universität Tokio hat erstmals herausgefunden, wie sich Hopfionen teilen lassen. Dabei entstehen aus einem Hopfion-Ring mit einer hohen Hopf-Zahl mehrere neue Hopfionen mit niedrigeren Hopf-Zahlen. Welche Hopfionen entstehen, folgt dabei einer einfachen Logik: Die Hopf-Zahl muss vor und nach dieser Teilung gleich bleiben. Ein vierzähliges Hopfion kann daher in zwei Zweier-Ringe oder vier Einer-Hopfionen geteilt werden.

“Diese Erkenntnis ebnet den Weg zu einer hierarchischen und dynamischen Kontrolle der Knotentopologie, die in mehreren Fachgebieten breit anwendbar ist“, konstatieren die Physiker. Denn die ringförmigen Spinstrukturen bilden damit relativ störungsresistente magnetische Speichereinheiten, die trotz ihrer Stabilität gezielt manipuliert werden können.

Spinstrom als Steuerelement

Möglich ist die kontrollierte Aufspaltung der Hopfionen durch sogenannte Spin-Bahn-Drehmomente, englisch Spin Orbit Torque (SOT). Sie entstehen, wenn eine Schicht eines ferromagnetischen Materials mit einer darunterliegenden Schicht aus einem Schwermetall kombiniert wird. Legt man an das Schwermetall eine Spannung an, erzeugt diese einen senkrecht zur Metallschicht verlaufenden Spinstrom. Bei diesem fließen Elektronen mit gleichgerichtetem Spin in eine Richtung, Elektronen mit dem genau entgegensetzten Spin in die andere Richtung. Anders als beim elektrischen Strom werden so keine Ladungen transportiert.

Wenn der Spinstrom in das magnetische Material gelangt, wirkt er auf die dort vorhandenen Hopfionen und zieht diese Ringe auseinander, wie die Physiker erklären. Überschreitet der Spinstrom eine bestimmte Intensitätsschwelle, zerreißen die Hopfion-Ringe. „Der Spinstrom verursacht die Teilung der Hopfionen und hinterlässt mehrere Hopfionen mit niedrigeren Hopf-Zahlen“, schreiben Kasai und seine Kollegen.

Erster Schritt zu spintronischen Rechnern?

„Diese Kontrollierbarkeit der Knotentopologie ist eine einzigartige Eigenschaft der Hopfionen, sie können dadurch mit beliebigen Hopf-Zahlen stabilisiert werden“, so die Physiker. „Unsere Ergebnisse ebnen damit den Weg für Hopfion-basierte mehrstufige Speichergeräte, die die topologischen Freiheitsgrade von Knoten und deren Spinstrom-gesteuerte Konvertibilität nutzen.“ Bis zum ersten mit Hopfionen arbeitenden Computer oder Datenspeicher sind allerdings noch einige Herausforderungen zu bewältigen.

Quelle: Shoya Kasai (University of Tokyo) et al., APS Open Science, 20ß26; doi: 10.1103/ngvg-h27j

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar