Forschung: Schraubenver­setzungen in chiralen Magneten

Versetzungen sind häufige Defekte der kristallinen Ordnung, deren topologischer Charakter durch den Burgers-Vektor bestimmt wird. Ein Sonderfall sind Kristalle, die nur entlang einer einzigen Richtung räumlich moduliert sind. Eine solche lamellare Ordnung findet sich in weicher Materie, z. B. in smektischen und cholesterischen Flüssigkristallen, aber auch im festen Zustand. In chiralen Magneten wie MnSi oder Cu₂OSeO₃ kann die Magnetisierung entlang einer einzigen Raumrichtung schraubenförmig variieren, was ein Beispiel für lamellare Ordnung ist. In dreidimensionalen Helimagneten sind Versetzungen Linienfehler. Je nach der gegenseitigen Orientierung der Versetzungslinie und ihres Burgers-Vektors kann man zwischen Rand- und Schraubenversetzungen unterscheiden. Bisher wurde nur über Kantenversetzungsdefekte helimagnetischer Ordnung berichtet.

Die Eigenschaften von Schraubenversetzungen mit helimagnetischer Ordnung wurden in einer kürzlich durchgeführten theoretischen Studie unseres SFB aufgedeckt. Während das Fernfeld dieser Schraubenversetzungen universell und typisch für die lamellare Ordnung ist, wurde festgestellt, dass eine große Vielfalt an Versetzungskernstrukturen realisiert werden kann. Insbesondere kann der mikromagnetische Kern von  Schraubenversetzungen entweder glatt sein oder Blochpunkt-Singularitäten enthalten, an denen die Amplitude der Magnetisierung verschwindet. Im Allgemeinen tragen sie auch eine nicht-ganzzahlige, aber endliche Skyrmionenladung, was darauf hindeutet, dass sie mit Hilfe von Spinströmen effizient manipuliert werden können.

Interessanterweise erwartet man, dass Schraubenversetzungen im Allgemeinen an Twist-Korngrenzen auftreten, die zwei helimagnetische Domänen mit unterschiedlichen Orientierungen der Helixachse trennen. Solche Domänenwände treten natürlich im feldfreien, gekühlten Zustand chiraler Magnete auf, wurden aber bisher noch nicht experimentell identifiziert. Verdrehte Korngrenzen sind daher ein Hauptkandidat für das Aufspüren von Schraubenversetzungen im Experiment.

M. Azhar, V. P. Kravchuk, M. Garst,
Screw Dislocations in Chiral Magnets,
Phys. Rev. Lett. 128, 157204 (2022) (arXiv)