Physiker haben eine neue Variante der so genannten Skyrmionen nachgewiesen. Darunter verstehen Fachleute magnetische Wirbel in speziellen Kristallen, die sich kurioserweise wie Elementarteilchen verhalten – Wissenschaftler sprechen von "Quasiteilchen". Die exotischen Zustände zählen derzeit zu den heißesten Themen der topologischen Festkörperphysik, unter anderem da sich mit ihrer Hilfe Ensembles von Elektronenspins – eine potenzielle Basis für futuristische Quantencomputer – stabilisieren lassen könnten.

Bisher kannten Wissenschaftler nur zwei verschiedene Wirbeltypen in Kristallen: Néel- und Bloch-Skyrmionen. Bei dem Typ, den ein Team um Ajaya Nayak vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik nun aufgespürt hat, handelt es sich um so genannte Anti-Skyrmionen. Sie sind gewissermaßen die Antiteilchen der bisher bekannten Varianten. Denn mathematisch betrachtet sind Anti-Skyrmionen eine Mischung aus Néel- und Bloch-Zuständen.

Anti-Skyrmionen
© Nayak, A.K. et al.: Magnetic antiskyrmions above room temperature in tetragonal Heusler materials. In: Nature 548, S. 561-566, 2017, fig. 1
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernAnti-Skyrmionen
Die erste Spalte beschreibt Bloch-Skyrmionen, die zweite Spalte Anti-Skyrmionen und die dritte Spalte Néel-Skyrmionen. Die erste Reihe zeigt die Spinausrichtung innerhalb des Materials. Die zweite Zeile zeigt den eindimensionalen Ausschnitt der Spinausrichtungen entlang radialer Richtung. Die grünen Pfeile in der vorletzten Zeile zeigen die schematische Spinausrichtung, die roten Pfeile symbolisieren die Lorentz-Ablenkung der transmittierten Elektronen. Die sich daraus ergebenden Bilder der Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie sind in der letzten Zeile dargestellt.

Die Forscher nutzten für ihr Experiment eine heuslersche Legierung, die sich aus mehreren Metallen zusammensetzt und ferromagnetisch ist. Wegen der komplizierten kristallinen Struktur bildete das Material innerhalb eines äußeren Magnetfelds die regelmäßig angeordneten Wirbel. Sichtbar wurden diese dank eines Elektronenmikroskops, das Elektronen in den Kristall schießt. Diese werden dort von den Magnetfeldern abgelenkt und und anschließend von einem Detektor aufgefangen.

Auf den Aufnahmen ist zu sehen, dass sich die Anti-Skyrmionen in einer sechseckigen Kristallstruktur anordnen. Sie waren selbst bei Zimmertemperatur stabil. Das ist insofern bemerkenswert, als viele exotische Festkörperphänomene nur bei extremen Minusgraden auftreten.

Die bei "Nature" erschienene Arbeit dient den Wissenschaftlern zufolge nicht nur der Erforschung exotischer Quasiteilchen, sondern könnte eines Tages auch technische Anwendungen haben. Die robusten Zustände könnten in Quantencomputern beispielsweise als Speicher eingesetzt werden.