Hoffnung für neuromorphe Computer Neue magnetische Wechselwirkung entdeckt

Die Illustration veranschaulicht die Entstehung der topologischen Orbitalmomente (große blaue Pfeile) infolge von Kreisströmen (dünne blaue Pfeile) durch jeweils drei Atome eines Kristallgitters mit spezifischer Spinstruktur (rote Pfeile). Die magnetischen Felder (schwarze Pfeile), die durch solche Kreisströme entstehen, führen zu Wechselwirkungen zwischen den TOMs (blaue Feder) bzw. zwischen den TOMs und den magnetischen Momenten benachbarter Atome (rote Feder).
Die Illustration veranschaulicht die Entstehung der topologischen Orbitalmomente (große blaue Pfeile) infolge von Kreisströmen (dünne blaue Pfeile) durch jeweils drei Atome eines Kristallgitters mit spezifischer Spinstruktur (rote Pfeile). Die magnetischen Felder (schwarze Pfeile), die durch solche Kreisströme entstehen, führen zu Wechselwirkungen zwischen den TOMs (blaue Feder) bzw. zwischen den TOMs und den magnetischen Momenten benachbarter Atome (rote Feder).

Jülicher Physiker haben eine neue magnetische Wechselwirkung in Kristallgittern entdeckt.


Die Entdeckung gelang mit Hilfe von Computersimulationen in der chemischen Verbindung Magnesiumgermanid. Dieses Material wählten die Forscher, weil darin zuvor Gitter aus nanoskaligen magnetischen Nanostrukturen beobachtet worden waren, deren Entstehung unklar war.

Nun fanden die Forscher die Ursache: Eine besondere dreiecksförmige Anordnung der Atome in dem Kristallgitter lässt elektrische Ströme  verlustfrei in winzigen Kreisen fließen, jeweils durch die drei Atome, die die Spitzen der Dreiecke bilden. Senkrecht auf der Fläche jedes Ringstroms entsteht dabei ein magnetisches Feld, welches ein magnetisches Moment induziert, das die Forscher als topologisches orbitales magnetisches Moment bezeichnen (TOM). Ein solches orbitales Moment wechselwirkt mit dem magnetischen Feld, das der Ringstrom erzeugt und ebenso mit magnetischen Momenten benachbarter Atome.

Die Entdeckung ist für die Grundlagenforschung von Interesse, die Forscher erwarten aber auch praktischen Nutzen: Die Wechselwirkung könnte beispielsweise dabei helfen, spezielle nanoskalige Magnetstrukturen zu erzeugen. Die so genannten Hopfionen sollen die Realisierung von neuromorphen Computern ermöglichen, die höchst energieeffizient nach dem Vorbild des menschlichen Gehirns rechnen. Bisher wurden dreidimensionale Hopfionen nur vorhergesagt, aber nicht beobachtet.

Das Geheimnis der Hopfionen

»Hopfionen kann man sich wie einen verdrehten oder verknoteten Schnürsenkel vorstellen. Je mehr Schleifen sie enthalten, desto höher ist die Hopfionenzahl«, erläutert Prof. Dr. Stefan Blügel, Direktor am Peter Grünberg Institut und am Institute for Advanced Simulation. Der Physiker hatte 2019 gemeinsam mit Kollegen den ERC Synergy Grant »3D MAGIC« des europäischen Forschungsrats, ERC, eingeworben, ein mit 11,8 Millionen Euro gefördertes Projekt mit dem Ziel, Hopfionen sowie andere  noch weitgehend unbekannte nanoskalige, magnetische Strukturen in 3D aufzuspüren, die teilchenähnliche Eigenschaften besitzen und deren Existenz bislang nur in Grundzügen theoretisch vorhergesagt wurde.

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.