Alles Skyr, oder was? - Forschungen am Nano-Tornado

"Skyr" ist der Name der Stunde. Zum einen erfreut sich das als Skyr bezeichnete isländische Milchprodukt breiter Beliebtheit. Unter Forschern macht das Skyrmion Furore. Es leitet sich allerdings vom Forscher Tony Skyrme ab, der aus London stammt, nicht aus Island. Skyrmionen sind klitzekleine Störungen in physikalischen Feldern, seien es Wechselwirkungen in Atomkernen oder elektrischen Feldern, wie das Licht. Immer dann, wenn es zu einer Störung kommt, wird es für Forscher interessant. Denn dabei lassen sich Zusammenhänge viel besser untersuchen und verstehen, als wenn alles rein und stabil wäre.

Eine Analogie eines milliardenfach größeren Systems mag das illustrieren: Wenn unterschiedliche Luftschichten kollidieren, entstehen Stürme, und unter bestimmten Bedingungen schaukelt sich das zu Wirbelstürmen großer Zerstörungsgewalt auf. Gerade im Zentrum so eines Tornados entstehen gewaltige Drehgeschwindigkeiten, die alles mitreißen. Und ganz ähnliche Effekte gibt es auch auf der atomaren Skala von Goldoberflächen, über die Lichtwellen huschen. Im Lichtfeld bilden sich Wirbel aus, eben die Skyrmionen, die zwar keine Zerstörungskraft entfalten, aber ähnlich wie ein Tornado auf dem Erdboden, die elektromagnetischen Verhältnisse im Goldfilm gehörig in Wallung bringen. "Das ist jetzt alles nur Grundlagenforschung", betont Harald Giessen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart. Doch wie so häufig in der Festkörper- und Oberflächenphysik, kann ein tieferes Verständnis der Materie über kurz oder lang zu neuen Bauteilen, Messprinzipien, schlicht: den nächsten Durchbrüchen in der IT führen. Die Analogie zum Wirbelsturm trägt sogar noch weiter. Genauso wie sich in der makroskopischen Welt der Wetterphänomene ein sogenanntes Auge im Zentrum des Wirbelsturms bildet, so sehen die Forscher auch in den Skyrmionen Zonen der absoluten Ruhe. Das allerdings in Abmaßen von nur Millionstelmillimeter. Der Physiker Giessen hatte jüngst eine Idee, wie man solche kleinste Wirbelstürme im Lichtfeld filmen könnte und machte sich mit Kollegen von der Universität von Melbourne (Australien) und der Universität Duisburg-Essen daran, das Experiment zu wagen.

Skyrmionen sind Muster in bestimmten Formen wie Wirbel oder Knoten und wurden vor Jahrzehnten von Kernphysiker Skyrme als Beschreibungsversuch für Atomkerne getestet. Harald Giessen suchte nach Wirbelfeldern in optischen Systemen. Sein Spezialgebiet ist die Wechselwirkung von Licht und Materie, etwa wenn ein Lichstrahl über eine Goldoberfläche streift und mit den Elektronen in der Oberfläche interagiert. Um die Nano-Tornados auf der Goldoberfläche anzuregen, wurde diese entsprechend präpariert, damit sich regelmäßige Muster bilden. Die "Filmaufnahmen" machten die Kollegen um Pascal Dreher an der Universität Duisburg-Essen. Vielleicht ließe sich in Zukunft die Mikroskopie-Technik verbessern und noch kleinere Objekte auflösen. Die theoretische Spekulation eines Tony Skyrme könnte also 70 Jahre später ganz praktische Früchte tragen. mt

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