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ERC Synergy Grant: 12 Millionen Euro für die Erforschung von „magischen“ 3D-Nanostrukturen

Jülich / Brüssel, 11. Oktober 2019 - Die Physiker Prof. Rafal Dunin-Borkowski und Prof. Stefan Blügel vom Forschungszentrum Jülich haben erfolgreich einen ERC Synergy Grant des europäischen Forschungsrats, ERC, eingeworben. Im Projekt „3D MAGIC“ wollen sie gemeinsam mit Prof. Mathias Kläui von der Universität Mainz und Prof. Theo Rasing von der Radboud-Universität Nimwegen noch weitgehend unbekannte nanoskalige, magnetische Strukturen in 3D aufspüren, die teilchenähnliche Eigenschaften besitzen und deren Existenz bislang nur in Grundzügen theoretisch vorhergesagt wurde. Die Förderung wird für zukunftsweisende Projekte vergeben, die aufgrund ihrer Komplexität nicht allein, sondern nur im Team bearbeitet werden können, und umfasst 11,8 Millionen Euro für sechs Jahre.

Die Fragen, wie Teilchen in die Welt kommen, welche Eigenschaften sie aufweisen und wie sie sich in einem umgebenden Feld verhalten, zählen zu den ganz zentralen Themen der Physik. Das gilt in astronomischen Dimensionen für Sterne, Exoplaneten und schwarze Löcher im Gravitationsfeld bis zu den subatomaren Skalen der Elementarteilchen. Dazwischen liegen Atome, Moleküle und andere Teilchen auf der Nanoskala wie die sogenannten topologischen Solitonen, die den Gesetzen der Quantenmechanik und des Elektromagnetismus unterworfen sind.

Die dreidimensionalen magnetischen Solitonen, die das gemeinsame Team von Experimentatoren und Theoretikern nun im Rahmen des ERC Synergy Grant untersuchen wollen, gelten als äußerst rätselhafte und herausfordernde Forschungsobjekte. Es handelt sich um 3D-Wirbel von hundert bis zu einigen Nanometern Größe, die nur innerhalb bestimmter magnetischer Festkörpern auftreten, und über die beispielsweise noch deutlich weniger bekannt, als über schwarze Löcher im Universum.

„Die ersten Magnetwirbel, die vor ein paar Jahren nachgewiesen wurden, waren zweidimensional. Nun stehen wir an einer Schwelle, an der es möglich wird, diese Teilchen auch in drei Dimensionen experimentell zu bestimmen und unser Ziel ist es, unsere Methoden der Elektronenholographie dahingehend zu erweitern“, erklärt der Sprecher des Projekts Prof. Rafal Dunin-Borkowski, Direktor des Ernst Ruska-Centrum und am Peter Grünberg Institut (PGI-5) am Forschungszentrum Jülich.

Die Einrichtung am Forschungszentrum Jülich gilt als führende Adresse auf dem Gebiet der Elektronenmikroskopie, deren Spezialisten wie nur wenige andere Experten weltweit in der Lage sind, magnetische Strukturen mit einer Größe von wenigen Nanometern aufzulösen. In Zusammenarbeit mit den Theoretikern um Prof. Stefan Blügel gelang es vor zwei Jahren, neben zweidimensionalen Magnetwirbeln, den Skyrmionen, eine verwandte Form nachzuweisen, die sich über drei Dimensionen erstreckt.

„Das war im Grunde der Startpunkt. Da haben wir gesehen, diese theoretisch vorhergesagten dreidimensionalen Teilchen gibt es wirklich. Unserer Theorie zufolge sollte es aber auch noch ganz andere 3D-Teilchen geben. Wir haben die noch nicht gefunden, nicht charakterisiert, dazu gibt es praktisch gar nichts. Aber darum geht es in dem Projekt“, erklärt Stefan Blügel, Direktor am Institute for Advanced Simulation (IAS-1) und am Peter Grünberg Institut (PGI-1) des Forschungszentrums Jülich.

Der Namensgeber des Instituts und Mitbegründer der Spintronik, Peter Grünberg, wurde 2007 mit dem Nobelpreis geehrt für die Entdeckung eines Effekts, der für die Funktionsweise heutiger Festplatten grundlegend ist. Die Magnetisierung beeinflusst dabei den elektrischen Widerstand des Materials. Mit der Erforschung kleinster Strukturen wie der Skyrmionen und ihrer dreidimensionalen Verwandten gehen die Forscher um Stefan Blügel nun noch einen Schritt weiter. Sie wollen die nur wenige Atome großen Magnetstrukturen direkt als Informationsträger nutzen. Das ist extrem platzsparend und benötigt nur sehr wenig Energie. Strom wird nur noch eingesetzt, um die Skyrmionen von einem Platz zum anderen zu bewegen.

HopfionenHopfionen: je mehr Schleifen, desto höher die Hopfionenzahl. Die Farben geben die Ausrichtung der Spins wieder, die für die Magnetisierung maßgeblich ist.
Copyright: Forschungszentrum Jülich

In „3D MAGIC“ wollen die Forscher nun Teilchen untersuchen, die möglicherweise noch über ein ungleich größeres Potenzial verfügen. Im Fokus stehen dabei unter anderem die sogenannten Hopfionen: „Diese neuartigen Teilchen kann man sich wie einen verdrehten oder verknoteten Schnürsenkel vorstellen. Je mehr Schleifen sie enthalten, desto höher ist die Hopfionenzahl“, konstatiert Stefan Blügel.

Interessant für künftige Anwendungen: Die Hopfionenzahl kann theoretischen Überlegungen zufolge viele verschiedene Werte annehmen, was die Teilchen zu hocheffektiven Informationsträgern macht. Versammelt man viele solcher Teilchen in einem Material, entsteht ein großer Speicher für Information, dessen räumliche Ausdehnung eine vielfältige Vernetzung über Spinwellen in alle drei Raumdimensionen möglich macht -- ein Konzept das sich in zwei Dimensionen so nicht realisieren lässt. Aus dem Grund sind sie möglicherweise geeignete Kandidaten für innovative Ansätze auf dem Gebiet des neuromorphen Computing, die sich am Vorbild des – ebenfalls extrem vernetzten – Gehirns orientieren.

Um diesem Ziel näher zu kommen, haben sich die Jülicher Forscher in „3D MAGIC“ mit Prof. Mathias Kläui von der Universität Mainz und Prof. Theo Rasing von der niederländischen Radboud-Universität in Nimwegen zusammengeschlossen. Theo Rasing ist Spezialist für die ultraschnelle Manipulation und Charakterisierung von magnetischen Nanostrukturen mittels Laserimpulsen und wird unter anderem erforschen, wie sich der Laser für das unkonventionelle Rechnen mit 3D-Teilchen wie Hopfionen nutzen lässt. Mathias Kläui verfügt über herausragende Expertise in der Herstellung von magnetischen Heterostrukturen, die es möglich machen, gezielt Materialien für ganz bestimmte magnetische Teilchen zu entwickeln, deren Dynamik er mithilfe von Elektronen und Röntgenstrahlen untersucht.

Als außereuropäischer Partner ist zudem Prof. Xiaoyan Zhong von der Tsinghua Universität in Peking, China, beteiligt, der bereits im Rahmen eines Austauschprogramms für Nachwuchswissenschaftler zur Entwicklung neuartiger Methoden der Elektronenmikroskopie am Jülicher Ernst Ruska-Centrum beigetragen. Im Rahmen des ERC Synergy Grants wird er nun weiter gemeinsam mit den Experten in Jülich an einer Erweiterung der Methoden arbeiten.

Prof. Dr. Rafal Dunin-Borkowski, Prof. Theo Rasing, Prof. Stefan Blügel, Prof. Mathias Kläui (v.l.n.r.)Prof. Dr. Rafal Dunin-Borkowski, Prof. Theo Rasing, Prof. Stefan Blügel, Prof. Mathias Kläui (v.l.n.r.)
Copyright: 3D MAGIC Project

Weitere Informationen:

Pressemitteilung des European Research Council zu dem 2019 ERC Synergy Grants (englisch)

Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C)

Peter Grünberg Institut (PGI), Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)

Pressemitteilung vom 28. Juni 2018, "Magnetische Skyrmionen – nicht die einzigen ihrer Art"

Ansprechpartner:

Prof. Dr. Rafal Dunin-Borkowski
Leiter des Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen, Physik Nanoskaliger Systeme(ER-C-1/PGI-5)
Tel: 02461 61-9297
E-Mail: r.dunin-borkowski@fz-juelich.de

Prof. Dr. Stefan Blügel
Leiter des Peter Grünberg Instituts, Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1)
Tel: 02461 61-4249
E-Mail: s.bluegel@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Tobias Schlößer
Pressereferent, Unternehmenskommunikation
Tel.: 02461 61-4771
E-Mail: t.schloesser@fz-juelich.de