Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Magnetische Wirbelfäden in der Elektronensuppe -
TUM-Physiker entdecken neue magnetische Ordnung

13.02.2009
Physiker der Technischen Universität München (TUM) und der Universität zu Köln haben in Mangansilizium eine neue Form magnetischer Ordnung entdeckt.

Das Gitter aus magnetischen Wirbelfäden, über dessen Existenz seit langem spekuliert wurde, konnte ein Team um Diplomphysiker Sebastian Mühlbauer und Professor Christian Pfleiderer (beide TUM) mit Neutronen an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM sichtbar machen.


Grafische Darstellung der Struktur der Wirbelfäden an der Oberfläche von Mangansilizium. Sebastian Mühlbauer und seine Kollegen machten diese mit Neutronen zum ersten Mal sichtbar.
Grafik: TUM

Ihre spektakuläre Entdeckung, die einerseits eine Jahrzehnte alte Frage über die Bausteine des Universums beantwortet und zudem neue Entwicklungen in der magnetischen Datenverarbeitung anstoßen könnte, veröffentlichen sie am 13.02.2009 in "Science".

Eigentlich sollte Sebastian Mühlbauer, Doktorand bei Professor Peter Böni am TUM-Lehrstuhl für Experimentalphysik, etwas ganz anderes an einer metallischen Verbindung aus Mangan und Silizium messen. Aber Professor Christian Pfleiderer, mit dem Mühlbauer zusammenarbeitet, hatte vergessen, ihn zu bitten die Messanordnung umzubauen.

So war das Magnetfeld parallel statt wie geplant senkrecht zum Neutronenstrahl für die Messungen am Instrument MIRA am FRM II aufgebaut. Und der Diplom-Physiker maß Sonderliches: "Als ich auf einmal auf dem Bildschirm statt der erwarteten zwei Punkte einen Ring aus sechs Punkten sah, habe ich sofort bei Christian angerufen," erzählt der 28-Jährige. Zufälligerweise war das am 1. April, sodass Pfleiderer zunächst an einen Aprilscherz des Doktoranden glaubte. Doch das sechseckige Muster war tatsächlich sichtbar. Und zwar bei einer Temperatur von minus 245° Celsius und einem Magnetfeld von 0,2 Tesla, was in etwa dem Feld eines starken Permanentmagneten entspricht.

Nach dieser Entdeckung brach bei Pfleiderer, Mühlbauer und ihren Kollegen große Euphorie aus. "Das war eine richtige Teamarbeit", beschreibt Pfleiderer die Wochen, während der die Physiker in Garching ihre entscheidenden Messungen machten. "Sebastian war der Kopf." Per Videokonferenz diskutierten die Festkörper-Physiker der TUM mehrmals wöchentlich ihre Beobachtungen mit theoretischen Physikern an der Universität zu Köln um Professor Achim Rosch. So wurde die Science-Veröffentlichung eine Kombination zwischen Experiment und Theorie. Die Kölner rechneten die magnetischen Wirbel nach, die die Münchner mit Neutronen gemessen hatten.

Auch neun Monate nach der Entdeckung steht Pfleiderer und Mühlbauer die Begeisterung noch ins Gesicht geschrieben. "Die Wirbelfäden sind ja für sich schon ungewöhnlich. Es ist, wie wenn das Metall eine magnetische Suppe ist, in der sich stabile Quantenknoten bilden. Noch verrückter ist aber, dass sich diese Wirbelfäden immer entlang dem Magnetfeld ausrichten. Die kümmern sich überhaupt nicht um die Kristallstruktur", sagt Pfleiderer. "Sie verhalten sich wie Partikel, die sich in einem festen Körper frei bewegen können."

Der 43-Jährige hat zusammen mit seinem Kölner Kollegen Achim Rosch auch eine Erklärung entwickelt, wie die Wirbelfäden zustande kommen. Die magnetischen Momente in Mangansilizium bilden normalerweise eine Helix. Liegen aber drei derartige spiralförmige Strukturen sternförmig übereinander, entstehen daraus schließlich die Wirbel. Pfleiderer forscht bereits seit 18 Jahren am harten und spröden Mangansilizium, weil es für seine magnetischen Messungen gut geeignet ist und sich leicht Einkristalle herstellen lassen. Schon vor Jahren hat der gebürtige Stuttgarter, bei seinen Forschungsaufenthalten an der Universität Cambridge, dem Forschungszentrum Grenoble und der Universität Karlsruhe, an Mangansilizium anomale metallische Eigenschaften entdeckt, über die er in einer Serie von drei Publikationen in der Fachzeitschrift Nature und einer weiteren Veröffentlichung in Science berichtete. Die Entdeckung der Wirbel erklärt möglicherweise auch, woher das anomale metallische Verhalten rührt.

Die magnetischen Wirbelfäden sind vor allem aber aus ganz anderen Gründen interessant. Schon in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts hatte der Münchner Nobelpreisträger Werner Heisenberg vorgeschlagen, nach einer Theorie der Bausteine des Universums zu suchen, die diese Bausteine wie Knoten in einem Medium beschreibt. Diese Idee wurde vom britischen Physiker Tony Skyrme in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts aufgegriffen - die von ihm vorgeschlagenen Teilchen werden deshalb Skyrmionen genannt. Rein mathematisch betrachtet sind die magnetischen Wirbel, die Pfleiderer und Kollegen entdeckt haben, genau solche Skyrmionen.

Am wichtigsten an den magnetischen Wirbelfäden dürfte jedoch sein, dass die Entdeckung von Pfleiderer und Mühlbauer viele neue Anwendungen verspricht. So vermutet Pfleiderer, dass Mangansilizium nicht das einzige magnetische Material ist, das diese Wirbelfäden ausbildet. Bereits vor 20 Jahren hatte Professor Alex Bogdanov, damals in Donetsk in der Ukraine, jetzt am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden, vorhergesagt, dass die magnetischen Knoten, die Mühlbauer und Pfleiderer nun entdeckt haben, in vielen Substanzen vorkommen müssten. "Ein weiteres Material haben wir seit unserer ersten Entdeckung in Mangansilizium bereits gefunden", verrät Pfleiderer. Wenn man lernt, die Entstehung der Knoten zu steuern, kann man völlig neue Verfahren entwickeln, um mit Hilfe von Magnetismus Informationen zu verarbeiten und zu speichern.

Die mathematische Disziplin, mit der die Skyrmionen beschrieben werden, heißt Topologie. Sie beschäftigt sich mit geometrischen Körpern, die durch Dehnen, Stauchen oder Verdrillen nicht verändert werden. Die Topologie besagt beispielsweise, dass man einen Donut in eine Kaffeetasse umformen kann. In der Materialforschung und Festkörperphysik erlebt die Topologie erst seit kurzem ihren Durchbruch. So berichten Wissenschaftler der Universität Princeton in derselben Ausgabe der Zeitschrift Science von der Entdeckung eines topologischen Isolators an der Oberfläche einer Wismut-Antimon-Mischung. Das Metall wird auf seiner Oberfläche elektrisch isolierend, weil die Elektronenbewegung topologische Knoten bildet. Wie Prof. Jan Zaanen von der Universität Leiden in Science enthusiastisch kommentiert, haben die Wirbelfäden von Mühlbauer und Pfleiderer also im weitesten Sinn auch ein Pendant in der elektronischen Struktur, die wiederum völlig neue Anwendungen zum Beispiel im Quantencomputing versprechen.

Durchgeführt haben die TUM-Physiker ihre Messungen mit Neutronen am Instrument MIRA an der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der TUM. Der Name MIRA steht für eine veränderliche Sternformation. Er spielt darauf an, dass sich das Messinstrument für verschiedenste Messverfahren leicht umbauen lässt. Neutronen, die ein magnetisches Moment tragen, treffen in MIRA als Strahl auf die Probe. Sie werden von dem magnetischen Moment in der Probe, den Wirbeln, abgelenkt. Durch die Ablenkung geben sie Auskunft über die magnetische Struktur im Inneren der Probe. So machten Sebastian Mühlbauer und seine Kollegen die ungewöhnlichen Wirbelfäden in Mangansilizium sichtbar.

Pfleiderer schätzt die Möglichkeiten am FRM II, der nur wenige Meter von seinem Büro in der TUM-Fakultät für Physik entfernt ist: "Das ist ein toller Zugang zu einer Großanlage, den man so weltweit nirgends bekommt. Wir können mit den Kristallen, die wir in unseren Labors im Physik Department herstellen, direkt hinüber marschieren und mit Neutronen die magnetische Struktur, deren Dynamik und viele andere Eigenschaften messen."

Sebastian Mühlbauer hat bereits als Werkstudent an der Forschungsneutronenquelle in Garching angefangen. "Mich hat es einfach immer schon interessiert, an so großen Geräten herumzuschrauben", sagt er mit einem Grinsen. Nach seiner Diplomarbeit am FRM II war für den gebürtigen Dachauer klar, dass er auch eine Doktorarbeit dort machen möchte. Seit 2005 promoviert der Diplomphysiker und möchte in diesem Jahr damit abschließen. "Sebastian hat eigentlich das Material für drei Doktorarbeiten", sagt Pfleiderer. Doch Mühlbauer winkt bescheiden ab. Erst einmal freut er sich auf die Veröffentlichung in Science, auf die andere Wissenschaftler ein Forscherleben lang hinarbeiten.

Originalpublikation:
Skyrmion Lattice in a Chiral Magnet; S. Mühlbauer, B. Binz, F. Jonietz, C. Pfleiderer, A. Rosch,
A. Neubauer, R. Georgii, P. Böni
Science, February 13, 2009, Vol 323, Issue 5916 - DOI-Nr.: 10.1126/science.1166767
Dipl-Phys. Sebastian Mühlbauer
Technische Universität München
Physik Department, Lehrstuhl E21
James Franck Str. 1, 85748 Garching
Tel.: +49.89.289.12515
Mobil:+49.160.6322478
E-Mail: sebastian.muehlbauer@frm2.tum.de
Prof. Christian Pfleiderer
Technische Universität München
Physik Department, Lehrstuhl E21
Tel.: +49.89.289.14720 / 14712 (Sekretariat)
Mobil:+49.151.11635489
E-Mail: Christian.Pfleiderer@frm2.tum.de
Andrea Voit
Pressereferentin
Technische Universität München
Forschungs-Neutronenquelle FRM II
Lichtenbergstr. 1, 85748 Garching
Tel: +49.89.289.12141
E-Mail: andrea.voit@frm2.tum.de

Dr. Ulrich Marsch | idw
Weitere Informationen:
http://portal.mytum.de/welcome
http://mediatum2.ub.tum.de/?cfold=683612&dir=683612&id=683612

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht APEX wirft einen Blick ins Herz der Finsternis
25.05.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Matrix-Theorie als Ursprung von Raumzeit und Kosmologie
23.05.2018 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

Je mehr die Elektronik Autos lenkt, beschleunigt und bremst, desto wichtiger wird der Schutz vor Cyber-Angriffen. Deshalb erarbeiten 15 Partner aus Industrie und Wissenschaft in den kommenden drei Jahren neue Ansätze für die IT-Sicherheit im selbstfahrenden Auto. Das Verbundvorhaben unter dem Namen „Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 7,2 Millionen Euro gefördert. Infineon leitet das Projekt.

Bereits heute bieten Fahrzeuge vielfältige Kommunikationsschnittstellen und immer mehr automatisierte Fahrfunktionen, wie beispielsweise Abstands- und...

Im Focus: Powerful IT security for the car of the future – research alliance develops new approaches

The more electronics steer, accelerate and brake cars, the more important it is to protect them against cyber-attacks. That is why 15 partners from industry and academia will work together over the next three years on new approaches to IT security in self-driving cars. The joint project goes by the name Security For Connected, Autonomous Cars (SecForCARs) and has funding of €7.2 million from the German Federal Ministry of Education and Research. Infineon is leading the project.

Vehicles already offer diverse communication interfaces and more and more automated functions, such as distance and lane-keeping assist systems. At the same...

Im Focus: Mit Hilfe molekularer Schalter lassen sich künftig neuartige Bauelemente entwickeln

Einem Forscherteam unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es gelungen, spezielle Moleküle mit einer angelegten Spannung zwischen zwei strukturell unterschiedlichen Zuständen hin und her zu schalten. Derartige Nano-Schalter könnten Basis für neuartige Bauelemente sein, die auf Silizium basierende Komponenten durch organische Moleküle ersetzen.

Die Entwicklung neuer elektronischer Technologien fordert eine ständige Verkleinerung funktioneller Komponenten. Physikern der TU München ist es im Rahmen...

Im Focus: Molecular switch will facilitate the development of pioneering electro-optical devices

A research team led by physicists at the Technical University of Munich (TUM) has developed molecular nanoswitches that can be toggled between two structurally different states using an applied voltage. They can serve as the basis for a pioneering class of devices that could replace silicon-based components with organic molecules.

The development of new electronic technologies drives the incessant reduction of functional component sizes. In the context of an international collaborative...

Im Focus: GRACE Follow-On erfolgreich gestartet: Das Satelliten-Tandem dokumentiert den globalen Wandel

Die Satellitenmission GRACE-FO ist gestartet. Am 22. Mai um 21.47 Uhr (MESZ) hoben die beiden Satelliten des GFZ und der NASA an Bord einer Falcon-9-Rakete von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) ab und wurden in eine polare Umlaufbahn gebracht. Dort nehmen sie in den kommenden Monaten ihre endgültige Position ein. Die NASA meldete 30 Minuten später, dass der Kontakt zu den Satelliten in ihrem Zielorbit erfolgreich hergestellt wurde. GRACE Follow-On wird das Erdschwerefeld und dessen räumliche und zeitliche Variationen sehr genau vermessen. Sie ermöglicht damit präzise Aussagen zum globalen Wandel, insbesondere zu Änderungen im Wasserhaushalt, etwa dem Verlust von Eismassen.

Potsdam, 22. Mai 2018: Die deutsch-amerikanische Satellitenmission GRACE-FO (Gravity Recovery And Climate Experiment Follow On) ist erfolgreich gestartet. Am...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Im Fokus: Klimaangepasste Pflanzen

25.05.2018 | Veranstaltungen

Größter Astronomie-Kongress kommt nach Wien

24.05.2018 | Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Berufsausbildung mit Zukunft

25.05.2018 | Unternehmensmeldung

Untersuchung der Zellmembran: Forscher entwickeln Stoff, der wichtigen Membranbestandteil nachahmt

25.05.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Starke IT-Sicherheit für das Auto der Zukunft – Forschungsverbund entwickelt neue Ansätze

25.05.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics