Unter Magneteinfluss können manche Materialien exotische Spinstrukturen ausbilden – aus den atomaren Spins der Teilchen gebildete geometrische Gebilde mit speziellen, teilchenähnlichen Merkmalen. Dazu gehören wirbelähnliche Skyrmionen, aber auch die erst vor wenigen Jahren erstmals experimentell nachgewiesenen Hopfionen. Bei diesen handelt es sich um ringförmige 3D-Strukturen, die als magnetisches Pendant zu klassischen Knoten gelten.
Der Clou dabei: Solche Knoten sind topologische Objekte. Das bedeutet, dass sich ihre Grundmerkmale, wie beispielsweise die Zahl der Schlaufen und Fadenkreuzungen, nicht durch bloße Deformation verändern lassen. Wegen ihrer Stabilität gelten solche magnetischen Knotenstrukturen als vielversprechende Träger quantenphysikalischer Information, beispielsweise in Quantencomputern oder neuartigen Magnetspeichern. Dafür ist es jedoch nötig, die durch die sogenannte Hopf-Zahl ausgedrückte Topologie der Hopfionen aktiv zu kontrollieren.
Aus einem mach zwei oder vier
An diesem Punkt ist Physikern nun ein wichtiger Fortschritt gelungen. Ein Team um Shoya Kasai von der Universität Tokio hat erstmals herausgefunden, wie sich Hopfionen teilen lassen. Dabei entstehen aus einem Hopfion-Ring mit einer hohen Hopf-Zahl mehrere neue Hopfionen mit niedrigeren Hopf-Zahlen. Welche Hopfionen entstehen, folgt dabei einer einfachen Logik: Die Hopf-Zahl muss vor und nach dieser Teilung gleich bleiben. Ein vierzähliges Hopfion kann daher in zwei Zweier-Ringe oder vier Einer-Hopfionen geteilt werden.
“Diese Erkenntnis ebnet den Weg zu einer hierarchischen und dynamischen Kontrolle der Knotentopologie, die in mehreren Fachgebieten breit anwendbar ist“, konstatieren die Physiker. Denn die ringförmigen Spinstrukturen bilden damit relativ störungsresistente magnetische Speichereinheiten, die trotz ihrer Stabilität gezielt manipuliert werden können.
