(Phys.org) — Alla fine del 1800, quando gli scienziati stavano ancora cercando di capire cosa fossero esattamente gli atomi, una delle teorie principali, proposto da Lord Kelvin, era che gli atomi sono nodi di vortici vorticosi nell'etere. Anche se questa idea si è rivelata completamente sbagliata, ha inaugurato la moderna teoria del nodo, che oggi viene utilizzato in vari campi della scienza come la fluidodinamica, la struttura del DNA, e il concetto di chiralità.

Ora in un nuovo articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , il fisico matematico Paul Sutcliffe della Durham University nel Regno Unito ha teoricamente dimostrato che le nanoparticelle chiamate skyrmioni magnetici possono essere legate in vari tipi di nodi con diverse proprietà magnetiche. Lo spiega, in un senso, questi nanonodi rappresentano una "resurrezione su nanoscala del sogno di Kelvin dei campi annodati".

Skyrmions sono il nome di una classe generale di particelle che vengono prodotte ruotando un campo. Quando questo campo è un campo magnetico, gli skyrmioni sono chiamati skyrmioni magnetici. Gli skyrmioni magnetici hanno recentemente attirato molta attenzione a causa delle loro potenziali applicazioni in spintronica, dove gli spin degli elettroni (che sono legati alle proprietà magnetiche dell'elettrone) sono sfruttati nella progettazione dei transistor, supporti di memorizzazione, e relativi dispositivi.

Gli skyrmioni magnetici sono stati osservati sperimentalmente per la prima volta alcuni anni fa, in sottili fette di materiali magnetici, fondamentalmente materiali bidimensionali. Mostrando che gli skyrmioni magnetici possono teoricamente essere legati in nodi, i nuovi risultati spostano queste particelle dal mondo bidimensionale a quello tridimensionale.

"Il punto più significativo è che questi nanonodi sono stabili, perché di solito i campi evitano di annodarsi slegandosi, " Ha detto Sutcliffe Phys.org .

Sutcliffe ha mostrato che i nodi skyrmion possono essere caratterizzati dalla carica di Hopf, che indica il numero di volte in cui le linee magnetiche curve di uno skyrmion sono collegate tra loro. Ha mostrato che gli skyrmioni con basse cariche di Hopf tendono a formare anelli, mentre quelli con cariche Hopf più alte formano collegamenti e nodi.

L'indagine di Sutcliffe si concentra sugli skyrmioni magnetici in un particolare tipo di magnete chiamato magneti frustrati, che offrono agli skyrmioni un ulteriore grado di libertà rotazionale rispetto ad altri materiali magnetici. Questa flessibilità offre agli skyrmion lo spazio extra necessario per essere annodati.

Nel momento in cui Sutcliffe stava scrivendo il suo articolo, nessuno aveva mai osservato skyrmions in magneti frustrati. Ma a testimonianza del ritmo veloce della ricerca in questo settore, solo pochi giorni dopo questa pubblicazione ricercatori dalla Cina hanno riportato le prime osservazioni sperimentali di skyrmioni in un magnete frustrato (arXiv:1706.05177 [cond-mat.mtrl-sci]).

Questo risultato segna un passo importante verso la realizzazione di skyrmioni magnetici annodati, e la prossima sfida sarà trovare un modo per trasformare gli skyrmion in nodi. Recenti lavori sugli skyrmioni hanno suggerito che queste particelle possono essere controllate usando fasci di vortici ottici, matrici di nanobarre ferromagnetiche, e altri metodi. I ricercatori stanno anche sviluppando tecniche di imaging per skyrmioni, che sarà essenziale per l'identificazione di questi nanonodi. Con nuovi risultati sugli skyrmioni riportati quasi quotidianamente, Sutcliffe è ottimista riguardo alle prospettive di creare nodi skyrmion.

"I miei futuri piani di ricerca in questo settore riguardano lo studio della formazione di questi nanonodi, aiutare a sviluppare metodi e suggerire condizioni favorevoli agli sperimentatori per creare e osservare queste strutture, " ha detto Sutcliffe.

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