Wissenschaftler an der Universität Stuttgart erforschen Wirbelstürme im Ausmaß von Millionstel Millimetern. Solche Wirbel entstehen zum Beispiel, wenn ein Laserstrahl auf eine Goldoberfläche trifft. Was steckt dahinter – und wozu dient diese Forschung?
Stuttgart - Skyr ist der Name der Stunde. So erfreut sich das als Skyr bezeichnete isländische Milchprodukt zunehmender Beliebtheit und erobert die Supermarktregale. Bei Physikern wiederum macht das sogenannte Skyrmion Furore. Der Name leitet sich hier von dem Forscher Tony Skyrme ab, der aus London stammt, nicht aus Island. Skyrmionen sind winzigste Störungen in physikalischen Feldern, seien es Wechselwirkungen in Atomkernen oder elektrischen Feldern wie etwa Licht. Und immer dann, wenn eine Störung auftritt, wird es für Forscher interessant. Denn dann lassen sich die zugrunde liegenden Zusammenhänge viel besser untersuchen und verstehen, als wenn alles rein und stabil wäre.
Mit einer Analogie zu einem milliardenfach größeren System lässt sich das gut veranschaulichen. Wenn unterschiedliche Luftschichten kollidieren, entstehen Stürme, und unter bestimmten Bedingungen schaukelt sich das zu Wirbelstürmen riesigen Ausmaßes und großer Zerstörungsgewalt auf. Bei einem Tornado etwa entstehen im Zentrum gewaltige Drehgeschwindigkeiten, die alles mitreißen. Ganz ähnliche Effekte gibt es auch auf der atomaren Skala von Goldoberflächen, über die Lichtwellen huschen. Im Lichtfeld bilden sich Wirbel aus, eben die sogenannten Skyrmionen. Zwar entfalten sie keine Zerstörungskraft, aber ähnlich wie ein Tornado auf dem Erdboden können die Wirbel 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 und Messprinzipien führen – und damit zu den nächsten Durchbrüchen in der Informationstechnologie. Die Analogie zum Wirbelsturm trägt sogar noch weiter. Genauso wie sich in der makroskopischen Welt der Wetterphänomene ein sogenanntes Auge im Zentrum eines Hurrikans bildet, so sehen die Forscher auch in den Skyrmionen Zonen der absoluten Ruhe. Das allerdings in Ausmaßen von nur Millionstel Millimetern.
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Der Physiker Giessen hatte jüngst eine Idee, wie man solche kleinsten Wirbelstürme im Lichtfeld filmen könnte. Bei einer Präsentation dieser Idee auf einer Forschungskonferenz in Singapur wurde ein Editor der renommierten Fachzeitschrift „Science“ darauf aufmerksam und meinte, das wäre doch etwas für das Magazin. Und so machte sich Giessen mit Kollegen von der Universität von Melbourne (Australien) und der Universität Duisburg-Essen daran, das Experiment zu wagen.
Skyrmionen sind Muster, die Formen wie Wirbel, Knoten oder Zöpfe bilden. Sie wurden vor Jahrzehnten von dem Kernphysiker Tony Skyrme als Beschreibungsversuch für Atomkerne getestet. Dann aber wurden sie wieder vergessen, bis Anfang des Jahrtausends ähnliche Wirbelstrukturen in magnetischen Datenspeichern entdeckt wurden. Die Forschung setzte wieder ein und erlebte gar einen kleinen Boom, den jeder neue physikalische Effekt nach sich zieht.
Auch Harald Giessen, dessen Arbeitsgebiet optische Phänomene im Nanometer-Maßstab umfasst, beteiligte sich an der neuen Forschung und suchte nach Wirbelfeldern in optischen Systemen. Sein Spezialgebiet ist die Wechselwirkung von Licht und Materie, etwa wenn ein Lichtstrahl oder besser ein Lichtfeld über eine Goldoberfläche streift und mit den Elektronen in der Oberfläche interagiert. Um die Nano-Tornados auf der Goldoberfläche anzuregen und einzufangen, präparierten Giessen und die Nachwuchsforscherin Bettina Frank die Oberfläche entsprechend, so dass sich regelmäßige Muster im Anregungsverhalten von Licht und Materie bilden. Und diese Muster wollten sie filmen.
Um Störungen in der Messung auszuschließen, musste die Goldoberfläche extrem glatt sein. Giessen rechnet vor: Gestreckt auf eine Länge von 500 Kilometern betrüge die maximale Rauigkeit nur rund zwei Millimeter. So kann maximal ein einziges Atom aus der Oberfläche herausschauen. Die theoretischen Betrachtungen unternahm Timothy Davis von der Universität in Melbourne. Die eigentlichen „Filmaufnahmen“ machten die Forscher um Pascal Dreher an der Universität Duisburg-Essen. „Man schießt mit einem Laser auf die Goldoberfläche. Es bilden sich Muster, die dann herumwirbeln“, erklärt Giessen.
Den Lebenszyklus vom Werden bis zum Vergehen eines Nano-Tornados können die Duisburger mit einem speziellen Elektronenmikroskop abbilden. „Das gibt wunderschöne Filme“, sagt Giessen und verweist auf die Homepage des 4. Physikalischen Instituts der Uni Stuttgart. Darüber hinaus gebe es keine direkten praktischen Anwendungen. Aber vielleicht ließe sich in Zukunft die Mikroskopietechnik verbessern und noch kleinere Objekte auflösen. „Uns geht es hier um ein ganz grundlegendes Verständnis“, so Giessen.
Interessant für die Mikroskopie ist das sogenannte Auge des Nano-Tornados. „Im Zentrum des Wirbel haben die Lichtvektoren ganz bestimmte Eigenschaften“, erklärt Giessen. Mit Lichtvektoren ist die Ausbreitungsrichtung gemeint. „Diese Strukturen haben nur wenige Nanometer im Durchmesser.“ Und es wäre spannend herauszufinden, ob sich diese Phänomene dazu nutzen lassen, die elektrischen Eigenschaften der Festkörperoberfläche noch feiner aufzulösen und zu bestimmen. Eine Idee wäre etwa, eine Halbleiterschicht darüber zu legen und die Kopplung der Lichtwirbel mit dem Halbleiter zu untersuchen – als neues Bauelement. Die theoretische Spekulation des Tony Skyrme könnte also 70 Jahre später ganz praktische Früchte tragen.
