La forza distruttiva di un tornado si verifica a causa delle velocità di rotazione estremamente elevate nel suo centro, che si chiama vortice. Sorprendentemente, effetti simili sono previsti per la luce che viaggia lungo una superficie d'oro atomicamente liscia, che può esibire momento angolare e vortici. I ricercatori delle Università di Stoccarda e Duisburg-Essen e dell'Università di Melbourne (Australia) sono ora riusciti per la prima volta a filmare questi modelli di vortice, che sono chiamati skyrmions, su scala nanometrica. Il giornale Scienza riporta questo lavoro pionieristico nel suo numero del 24 aprile, 2020.

Quando una pattinatrice artistica inizia a eseguire una piroetta e alza le braccia, ruota intorno al proprio asse sempre più velocemente a causa della conservazione del momento angolare. Nelle calde giornate estive, lo stesso effetto piroetta crea i cosiddetti "dust devils, " cioè., piccoli turbini di aria calda, e dà anche ai grandi tornado il loro potere distruttivo. Il fisico Tony Skyrme ha studiato in dettaglio tali vortici negli anni '60 in un campo di ricerca chiamato topologia. I modelli sono chiamati skyrmions dopo il loro scopritore.

Luce che viaggia atomicamente liscia, le superfici d'oro nanostrutturate possono anche avere una sorta di momento angolare, e quindi si possono formare vortici. Però, in questo caso, i vortici sono grandi solo poche centinaia di nanometri, e l'occhio di queste nanotempeste è grande solo pochi nanometri. Perciò, nessuno è ancora riuscito a misurare l'esatto orientamento di questi vortici. Era anche impossibile guardare la dinamica del vortice, perché il tempo che impiega la luce per percorrere una volta intorno a un tale vortice è solo di pochi femtosecondi (trilionesimi di millisecondo).

In un esperimento rivoluzionario, un team di ricercatori dell'Università di Stoccarda, l'Università di Duisburg-Essen, e l'Università di Melbourne in Australia è riuscita per la prima volta a filmare tali skyrmioni plasmonici fatti di luce su scala nanometrica. I ricercatori sono stati in grado di registrare la direzione del campo elettrico e magnetico della luce in tutte e tre le dimensioni, e persino misurato la sua dinamica. Il teorico Tim Davis di Melbourne, che ha visitato Stoccarda e Duisburg con il supporto del centro quantistico IQST, calcolato le lunghezze d'onda della luce richieste, la forma ottimale delle nanostrutture, così come l'esatto spessore delle piastrine d'oro. Ha predetto come si sarebbero comportati gli array regolari (chiamati reticoli di skyrmion) di vortici di luce.

Bettina Frank del gruppo di ricerca di Harald Giessen presso il 4° Istituto di fisica dell'Università di Stoccarda ha prodotto piastrine d'oro atomicamente lisce con spessore regolabile nell'intervallo dei nanometri utilizzando un metodo di nuova concezione. A tale scopo sono stati utilizzati wafer di silicio estremamente piatti come substrato. Le piastrine d'oro sono state nanostrutturate con un fascio di ioni d'oro ad alta precisione. Quando irradiato con impulsi laser di una lunghezza d'onda accuratamente calcolata nel campo dell'infrarosso, interi schieramenti di luce skyrmion, i cosiddetti skyrmioni plasmonici, potrebbe essere creato.

La misura della dinamica vettoriale, cioè., l'allineamento tridimensionale dei campi di luce plasmonica e il loro comportamento temporale, è stato condotto con successo in un nuovo esperimento appositamente progettato nel gruppo di Frank Meyer zu Heringdorf presso l'Università di Duisburg-Essen. Gli studenti di dottorato Pascal Dreher e David Janoschka hanno inviato impulsi laser della durata di soli 13 femtosecondi a una lunghezza d'onda di 800 nm sulle piastrine d'oro con le nanostrutture. Il fotoeffetto, per il quale Einstein ricevette il premio Nobel, fa sì che gli elettroni vengano espulsi dal campione d'oro, che vengono poi misurati con un microscopio elettronico. Combinando in modo intelligente diversi impulsi laser con diverse polarizzazioni della luce e ripetendo l'esperimento più volte, le componenti vettoriali dei campi luminosi potrebbero essere determinate mediante proiezione.

Inviando due impulsi laser uno dopo l'altro sul campione, i nano-tornado di luce possono essere sia eccitati che successivamente sondati da impulsi laser ultracorti, in modo che nel giro di una notte circa, un intero nanofilm di questi vortici di luce può essere registrato.

Harald Giessen di Stoccarda ritiene che in futuro, sulla base di questa ricerca, potrebbe essere possibile creare nuovi tipi di microscopi in grado di produrre con la luce strutture molto più piccole di quanto non sia avvenuto finora. "La combinazione del momento angolare orbitale e delle proprietà del vettore porta a strutture di vortici plasmonici nell'intervallo dei nanometri anche con l'ottica lineare, " Riferisce. "Sarà anche possibile osservare sperimentalmente la fisica dello skyrmione risolta nel tempo in una varietà di condizioni al contorno".

L'interazione di tali campi di skyrmion e il loro momento angolare orbitale con le particelle vicine nei semiconduttori, per esempio in atomicamente sottile, materiali bidimensionali, sarà particolarmente emozionante. "Grazie alla nostra nuova macchina litografica a fascio ionico Raith, abbiamo possibilità quasi infinite per generare diverse nanostrutture topologiche e studiare la loro dinamica skyrmion con la nanocamera di Duisburg".