Physik-informierte Tomographie von chiralen Nanomagneten

Winzige, verdrehte Magnetwirbel tief im Inneren von Materialien sogenannte chirale magnetische Texturen könnten künftig Schlüsseltechnologien in der Informationsverarbeitung ermöglichen. Um diese komplexen Strukturen sichtbar zu machen und besser zu verstehen, entwickelt ein internationales Forschungsteam aus Österreich, Deutschland und der Schweiz eine neuartige Methode, mit der magnetische Zustände erstmals dreidimensional und mit hoher Präzision abgebildet werden können. Diese Texturen sind nur wenige Nanometer groß das entspricht einem Millionstel Millimeter und weisen eine komplexe räumliche Struktur auf, die mit konventionellen bildgebenden Verfahren kaum zu erfassen ist. Im Zentrum des Projekts steht die Verbindung zweier Welten: hochauflösende Röntgenbildgebung an Synchrotronlichtquellen und physikbasierte Computermodelle. Das Besondere daran ist, dass die physikalischen Gesetze nicht erst im Nachhinein auf die Messergebnisse angewendet werden, sondern bereits in den Bildrekonstruktionsprozess einfließen. Diese physikinformierte Herangehensweise führt zu deutlich präziseren Ergebnissen und erlaubt auch Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften. Untersucht werden zwei Materialklassen: einerseits natürlich chirale Magnetmaterialien, bei denen die besondere Magnetstruktur durch die Kristallsymmetrie entsteht, und andererseits geometrisch verdrehte Nanostrukturen aus Standardmaterialien, die gezielt so geformt werden, dass sie eine künstliche Chiralität aufweisen. Durch die Kombination von Materialauswahl und geometrischer Gestaltung sollen Erkenntnisse darüber gewonnen werden, wie solche Magnettexturen entstehen, sich verändern und durch äußere Einflüsse steuern lassen. Ziel ist es, ein leistungsfähiges Rekonstruktionsverfahren zu entwickeln, das bekannte physikalische Gesetzmäßigkeiten etwa die mikromagnetischen Gleichungen direkt in die Bildverarbeitung einbezieht. Dieses Verfahren soll dann experimentell eingesetzt werden, um statische dreidimensionale Magnetstrukturen wie Skyrmionen und Hopfionen in realen Materialien sichtbar zu machen. Darüber hinaus soll die Methode so erweitert werden, dass auch schnelle, dynamische Magnetprozesse erfasst werden können etwa indem man mit wenigen, gezielt ausgewählten Messungen arbeitet und die fehlenden Informationen mit intelligenten mathematischen Modellen ergänzt. Die im Projekt angestrebten Ergebnisse eröffnen nicht nur neue Perspektiven für die Grundlagenforschung, sondern liefern auch wichtige Werkzeuge für zukünftige Technologien. Langfristig könnten die entwickelten Verfahren zur Realisierung von ultradichten Speichermedien und energieeffizienten Logikelementen beitragen. Indem Expertise aus theoretischer Physik, Nanofabrikation und experimenteller Bildgebung zusammengeführt wird, adressiert dieses Projekt eine der zentralen Herausforderungen der modernen Magnetismusforschung: Magnetismus in drei Dimensionen und in Bewegung sichtbar zu machen.