Forschung: Domänenwände in Helimagneten

Mal in Blasen, mal in Streifen, mal in Schlangenlinien setzen sich die „Domänen“ ferromagnetischer Stoffe aneinander: Das sind Bereiche, in denen die lokalen magnetischen Momente in die gleiche Richtung zeigen. Üblicherweise existieren in einem Ferromagneten viele Domänen mit unterschiedlicher Ausrichtung der Magnetisierung; sie werden durch Domänenwände voneinander getrennt. Die Physik der Domänenwände fasziniert Grundlagenforscher wie auch Ingenieure – sie spielen etwa eine wichtige Rolle für die Entwicklung neuer Magnetspeicher.

Forscher der TU Dresden haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team neuartige Domänenwände in sogenannten Helimagneten identifiziert. Diese Entdeckung veröffentlichte am 5. März 2018 die Fachzeitschrift Nature Physics. In Helimagneten sind die magnetischen Momente nicht wie beim Ferromagneten gleich ausgerichtet, sondern zu einer Helix verdreht. Dies führt zu einer periodischen Wiederholung der magnetischen Struktur, analog zu kristalliner Ordnung. Die Forscher konnten zeigen, dass die helimagnetischen Domänenwände in der Tat ähnlich zu Korngrenzen sind, die kristalline Bereiche, sogenannte Körner, voneinander trennen.

„Die Ergebnisse haben wir in einer Kollaboration aus Theorie und Experiment erreicht“, resümiert Dr. Markus Garst vom Institut für Theoretische Physik der TU Dresden. „Unsere Gruppe steuerte im Rahmen der Doktorarbeit von Laura Köhler theoretische Rechnungen und die Interpretationen der Experimente bei.“ Die experimentellen Arbeiten führte eine Gruppe um Prof. Dennis Meier im Rahmen der Doktorarbeit von Peggy Schoenherr an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich durch. „Diese Domänenwände unterscheiden sich fundamental von den konventionellen Wänden, die man sonst von Ferromagneten kennt“, sagt Prof. Meier, nun an der Universität in Trondheim, Norwegen. Stattdessen treten Strukturen auf, die ähnlich zu Korngrenzen in sogenannten Flüssigkristallen sind, welche in LCD Bildschirmen Verwendung finden. „Diese Analogie der Domänenwände in zwei scheinbar unterschiedlichen Systemen ist ein tolles Beispiel für Universalität in der Natur“, schwärmt der Physiker.

Darüber hinaus wird die Magnetisierung an diesen Wänden so verdreht, dass magnetische Wirbel, sogenannte Skyrmionen, entstehen. „Diese Wirbel sind ähnlich wie Wasserstrudel sehr stabil und besitzen außergewöhnliche Eigenschaften, die aktuell intensiv erforscht werden“, erläutert Dr. Garst. Insbesondere kann man sie leicht durch angelegte elektrische Ströme manipulieren, wodurch solche magnetischen Strukturen für Anwendungen interessant sind. „Auch die Domänenwände, die wir entdeckt haben, sollte man durch Ströme kontrollieren und in Bewegung setzen können. Dies werden wir als Nächstes erforschen“, kündigt der Dresdner Privatdozent an.

P. Schoenherr, J. Müller, L. Köhler, A. Rosch, N. Kanazawa, Y. Tokura, M. Garst, D. Meier, Topological domain walls in helimagnets,
Nature Physics (2018)