Lichtinduzierte Bimerone in einem chiralen Magneten

Kleine magnetische Wirbel mit Licht schreiben

Moderne Computer bewegen Informationen mithilfe elektrischer Ladungen, was als Wärme Energie verschwendet. Physiker erkunden neue Wege, Daten zu speichern und zu transportieren, indem sie stabile, wirbelnde Magnetmuster nutzen, die sich wie Teilchen verhalten. Diese Studie zeigt, dass ultraschnelle Laserpulse zuverlässig eine spezielle Art von magnetischem Wirbel, ein Bimeron, in einen dünnen Kristall bei Raumtemperatur „schreiben“ können und dass sich diese Wirbel mit einem moderaten Magnetfeld feinsteuern lassen. Die Arbeit weist auf zukünftige energiearme Speicher- und Logikbauteile hin, die mit Licht statt mit Drähten gesteuert werden.

Kleine magnetische Knoten als Informationsträger

In manchen Magneten richten sich die winzigen atomaren Magneten nicht alle gleich aus; stattdessen verdrehen sie sich zu miniature Wirbeln, sogenannten topologischen Spin‑Texturen. Da sich diese Verdrehungen nicht ohne eine grundlegende Umordnung rückgängig machen lassen, sind die Strukturen ungewöhnlich stabil und können als robuste Informationsbits dienen. Die bekanntesten Beispiele sind Skyrmionen, runde Wirbel in Magneten, deren bevorzugte Richtung aus der Ebene heraus zeigt. In Magneten, in denen Spins dazu neigen, in der Ebene zu liegen, können verwandte Objekte wie Merons und Bimerone entstehen. Ein Bimeron ist im Grunde ein gebundenes Paar von Halb‑Wirbeln, das zusammen wie ein Teilchen wirkt. Sie sind für zukünftige Elektronik und Spintronik attraktiv, weil sie sich prinzipiell mit kleinen elektrischen Strömen bewegen, dicht gepackt werden und im Nanobereich eingesetzt werden können, ohne leicht auseinanderzufallen.

Magnetische Wirbel mit Laserblitzen erzeugen

Die Forscher arbeiteten mit dünnen Plättchen eines chiralen Magneten aus Kobalt, Zink und Mangan (Co₈Zn₈Mn₄). In diesem Material begünstigt eine innere Verdrehungswechselwirkung natürlich spiralförmige Magnetmuster, und der Magnet bleibt oberhalb der Raumtemperatur geordnet. Das Team formte dünne Scheiben von nur 90–200 Nanometern Dicke und beobachtete ihre Magnetisierung direkt in einem Transmissions-Elektronenmikroskop, das magnetische Strukturen abbilden kann. Anschließend feuerten sie einzelne Femtosekunden‑(ein Billiardstel Sekunde) Laserpulse auf die Probe. Jeder Puls erwärmte den Magneten extrem schnell, störte vorübergehend seine geordnete Struktur und trieb ihn in einen ungeordneten, hochenergetischen Zustand. Während die Probe in Milliardenstel bis Millionstel Sekunden abkühlte, reorganisierte sich die Magnetisierung, und stabile Bimerone entstanden, als sich das System entspannte.

Bimerone mit einem sanften Magnetfeld abstimmen

Durch Anlegen eines kleinen Magnetfelds senkrecht zur dünnen Platte konnte das Team steuern, welche Art und wie viele Bimerone entstanden. Bei Nullfeld erzeugten die Laserpulse ein Gemisch aus zwei spiegelbildlichen Bimeronen. Schon moderate Felder von nur einigen Dutzend Millitesla kippten die Energiebilanz so, dass ein Typ energetisch günstiger wurde und das Muster dominierte. Mit zunehmendem Feld stieg die Anzahl der Bimerone zunächst auf ein Maximum und nahm dann wieder ab, bis sie jenseits einer Schwelle verschwanden. Sorgfältige Experimente an Platten unterschiedlicher Dicke zeigten, dass trotz Veränderungen in der Darstellung der Muster im Mikroskop die zugrunde liegenden dreidimensionalen magnetischen Verdrehungen topologisch gleich blieben. Mit anderen Worten hing die wesentliche „Knotengestalt“ des Bimerons nicht von der Dicke der Platte ab.

Ein Blick in die interne magnetische Struktur

Parallel zu den Bildern führten die Forscher detaillierte Computersimulationen des Magnetverhaltens mit einem mikromagnetischen Modell durch, das die Verdrehungswechselwirkung, die gewöhnliche magnetische Steifigkeit und den Einfluss der Probengestalt eingeschlossen hat. Sie berücksichtigten auch eine dünne, bei der Fertigung beschädigte Oberflächenschicht, in der die Verdrehungswechselwirkung reduziert ist. Ausgehend von einer zufälligen Spin‑Anordnung relaxierten die Simulationen zu energiearmen Zuständen und erzeugten Bimeron‑Muster, die experimentellen Bildern sowohl in Dichte als auch in Kontrast sehr ähnlich waren. Die Rechnungen zeigten, wie jedes Bimeron aus zwei miteinander verknüpften Merons mit unterschiedlichen Formen aufgebaut ist und wie sich mit zunehmendem Feld der umgebende magnetische Hintergrund allmählich von einem geneigten, kegelähnlichen Muster zu einem vollständig einheitlichen Zustand aufrichtet.

Von Bimeronen zu Skyrmionen und zukünftigen Bauteilen

Durch Erhöhen des Magnetfelds in den Simulationen beobachteten die Forscher eine glatte Transformation von Bimeronen zu symmetrischeren Skyrmionen, sobald die umgebende Magnetisierung vollständig ausgerichtet war. Im realen Experiment bei Raumtemperatur ließen thermische Fluktuationen die Bimerone jedoch zusammenbrechen, bevor dieser letzte Übergang sichtbar wurde, doch die Übereinstimmung zwischen Theorie und Messung stützt ein einheitliches Bild, das Bimerone und Skyrmionen als eng verwandte topologische Objekte betrachtet. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass ein einziger ultraschneller Lichtpuls zuverlässig steuerbare Bimeron‑Muster in einem in‑Ebene magnetisierten Film schreiben kann. Diese optische Kontrolle langlebiger magnetischer Knoten stellt einen wichtigen Schritt zu zukünftigen Speicher‑ und Rechentechnologien dar, die Licht und Magnetismus nutzen, um Informationen mit deutlich geringerem Energieaufwand als heutige Elektronik zu verarbeiten.

Zitation: Zhu, K., Rybakov, F.N., Wang, Z. et al. Light-induced bimerons in a chiral magnet. Nat Commun 17, 3185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71291-5

Schlüsselwörter: Bimerone, ultraschneller Laser, topologische Magnetismus, Spintronik, Skyrmionen