Topologische Solitonen in zwei-dimensionalen chiralen Magneten

• Antragsteller: Professor Dr. Christof Erich Melcher
• Fachliche Zuordnung: Mathematik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321131738

Chirale Skyrmionen sind topologische Feldkonfigurationen, welche in Magneten mit gebrochener chiraler Symmetrie auftreten. Diese neuartigen magnetischen Nanostrukturen können sowohl als isolierte Solitonen als auch in regelmäßigen Gittern angeordnet auftreten.Chirale Skyrmionen wurden vor etwa 25 Jahren auf der Grundlage eines bemerkenswert einfachen Energiefunktionals theoretisch vorhergesagt. Der Schlüsseleffekt ist Chiralität, welche durch Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung, das antisymmetrische Gegenstück zur Heisenbergschen Austauschwechselwirkung, induziert wird. Die zugehörigen Funktionale sind vom Typ des Helizitätsfunktionals. Die unerwartete experimentelle Entdeckung chiraler Skyrmionen in einer Vielzahl von Materialsystemen vor wenigen Jahren hat das Interesse und die Aktivität in diesem Bereich deutlich angefacht und gänzlich neue Forschungsperspektiven eröffnet. Aufgrund ihrer besonderen Stabilitätseigenschaften und effizienten dynamische Kopplung mit elektrischen Strömen, werden chiralen Skyrmionen als vielversprechende Kandidaten für Informationsträger in zukünftigen Spintronikbauteilen gehandelt. Das Projekt befasst sich mit der Bildung, Struktur und Dynamik topologischer Muster erzeugt im Zuge chiraler Wechselwirkungen in zwei Raumdimensionen. Wir werden das Auftreten und die Stabilität von skyrmionischem Strukturen in Modellen chiraler Magnete mit Hilfe globaler Variationsmethoden studieren. Eine große Herausforderung ist das umfassende Verständnis des zugrundeliegenden Phasendiagramms. Die bislang verfügbaren theoretische Vorhersage beruhen hauptsächlich auf numerischer Minimierung des Energiefunktional oder Ad-hoc Optimierung spezifischer Ansatzfunktionen. Eine globaler mathematischer Ansatz zur rigorosen Charakterisierung kritischer Felder wäre damit wünschenswert. Mit einem besseren Verständnis der Energie und inneren Struktur von isolierten chiralen Skyrmionen, möchten wir die dynamische Stabilität und die effektive Dynamik untersuchen, welche sich aus der Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung mit Spin- Torque-Effekten ergibt, untersuchen. Wir erwarten, dass die im Rahmen des Projekts erworbenen mathematischen Erkenntnisse und Methoden auch eine Betrag zur Erforschung neuer physikalischer Aspekte chiralen Skyrmionen und auf die Suche nach neuen Mechanismen zur Stabilisierung topologischen Solitonen in Magnetismus leisten kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen