Nichtlokale chirale Wechselwirkung in geriffelten magnetischen Nanohüllen

• Antragsteller: Dr. Denys Makarov; Professor Dr.-Ing. Jeffrey McCord
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438892000

Ein Punkt, den alle neuen magnetischen Materialien mit Forschungs- und Anwendungspotential gemein haben, sind ihre nicht-kollineare magnetische Ordnung, wie z.B. chirale Domänenwände oder Skyrmionen. Diese Texturen werden normalerweise durch die Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung (DMI) hervorgerufen. Vor kurzem wurden nun Krümmungseffekte als weitere Möglichkeit entdeckt, um chirale magnetische Eigenschaften zu designen, z.B. über die Geometrie von Dünnschichten. Obwohl diese Forschung noch an ihrem Anfang steht, spielt die Topologie von gekrümmten Oberflächen eine weitreichende Rolle für die Grundlagenphysik und Anwendungsideen. Momentan sind vor allem die Auswirkungen auf ultradünne magnetische Schichten verstanden. Bei solchen Schichten hat eine Krümmung Einfluss sowohl auf die chirale Wechselwirkung als auch auf die Anisotropie. Dabei sind die krümmungsinduzierten chiralen Wechselwirkungen von lokaler Natur.Sogar nicht-lokale magnetostatische Effekte in der lineare Näherung der Filmdicke werden in der Energiefunktion auf lokale Anisotropieterme reduziert. Unsere Arbeit soll nun dazu beitragen, das fundamentale Verständnis des Magnetismus in gekrümmten Flächen für höhere Schichtdicken durch ein neues mikromagnetisches Konzept zu erweitern. Unsere vorläufigen theoretischen Vorhersagen zeigen, dass in der zweiten Ordnung bezüglich der Filmdicke, nicht-lokale magnetostatische Effekte zu nicht-lokalen chiralen Wechselwirkungen führen. Diese nicht-lokalen chiralen Wechselwirkungen sind von den lokalen Effekten höchst verschieden, die durch die DMI verursacht werden. Solche nicht-lokalen Effekte sind weder theoretisch noch experimentell bisher untersucht worden. Deshalb sollen hier die theoretische (Gruppe von Prof. Sheka, Kyiv University) und experimentelle (Gruppe von Prof. McCord, University of Kiel, und Dr. Makarov, HZDR) Expertise gebündelt werden, um diese neuen Effekte zu studieren. Von Seiten der Theorie soll die Vorhersage untersucht werden, dass durch das Zusammenspiel von magnetostatsichen Oberflächen- und Volumenladungen eine Quelle für chirale Wechselwirkungen geschaffen wird (dieses Zusammenspiel ist bei flachen Schichten prinzipiell nicht gegeben). Experimentell sollen diese Vorhersagen durch statische und dynamische Untersuchungen an Domänenwänden in geriffelten ferromagnetischen Hüllen überprüft werden. Diese können hergestellt werden, indem senkrecht magnetisierte Schichten auf gekrümmte Substrate mit einstellbaren Geometrien (Höhe und Abstand der Riffelung) abgeschieden werden. Die größte Herausforderung dabei ist es, einen eindeutigen Fingerabdruck der neuen chiralen Effekte zu identifizieren, z.B. durch die Verkippung von Domänenwänden im Bezug auf die Riffelung, und auf dieser Basis die Effekte zu quantifizieren.Dieses Projekt wird das Verständnis von Krümmungseffekten in der Festkörperphysik vertiefen und dabei helfen, aus neuen theoretischen Konzepten experimentelle Beobachtungsgrößen zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Ukraine
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Denys Sheka, Ph.D.