Topologische Ringe: Struktur, Dynamik und Kontrolle von Hopfionen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Karin Everschor-Sitte
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505561633

Topologische magnetische Strukturen wie Domänenwände, Wirbel und Skyrmionen spielen im modernen Magnetismus eine zentrale Rolle. Sie weisen mehrere einzigartige Eigenschaften auf, die sie für die Grundlagenforschung und spintronische Anwendungen attraktiv machen. Parallel zum wissenschaftlichen Interesse an topologischen Strukturen hat sich der dreidimensionale Nanomagnetismus in den letzten Jahren zu einem dynamischen Forschungsgebiet entwickelt. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklungen sind magnetische Hopfion-Strukturen, die sowohl inhärent topologisch als auch dreidimensional sind, in letzter Zeit in den Mittelpunkt des Interesses gerückt. Während Hopfionen - verknotete Strukturen, die als dreidimensionale Verallgemeinerung von Skyrmionen angesehen werden können - im benachbarten Bereich der Flüssigkristalle intensiv untersucht wurden, sind sie in magnetischen Materialien trotz eines rasch wachsenden Interesses noch immer exotisch und weitgehend unerforscht. Die Schlüsselfragen betreffen die Bedingungen, die zu ihrer Bildung führen, ihr Verhalten in begrenzten Geometrien und die Möglichkeit, diese Strukturen durch externe Mittel zu kontrollieren. Das wissenschaftliche Ziel des TOROID-Projekts ist es, ein gründliches theoretisches Verständnis der komplexen grundlegenden Physik und Eigenschaften magnetischer Hopfionen zu erlangen. Die Teams planen gemeinsam die Struktur, Stabilität und Dynamik magnetischer Hopfionen mittels Kombination von analytischer Theorie und mikromagnetischen Simulationen zu untersuchen. Wir werden die Eigenschaften von Hopfions in massiven Systemen und in dreidimensionalen endlichen Geometrien untersuchen. Unser Ausgangspunkt ist die genaue Analyse und Identifizierung dieser dreidimensionalen topologischen Objekte, die durch den Hopf-Index gekennzeichnet sind. Ein erstes Ziel ist es, ein gründliches Verständnis der Bedingungen zu erlangen, die zu ihrer Stabilisierung in verschiedenen Wirtsproben führen. Sobald wir ausreichend detaillierte Kenntnisse über einzelne Hopfions gewonnen haben, werden wir uns mit den Wechselwirkungen in Paaren und Arrays von Hopfions befassen, einschließlich der Analyse gekoppelter dynamischer Moden. Anhand von Simulationsergebnissen werden wir analytische Modelle zur Beschreibung der Hopfion-Dynamik entwickeln. Schließlich werden wir untersuchen, wie sich diese Strukturen durch angelegte Ströme und Felder manipulieren und kontrollieren lassen. Die Erforschung dieser Aspekte könnte wesentliche Erkenntnisse über die Anwendbarkeit von Hopfionen in nanomagnetischen Bauteilen liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Riccardo Hertel