In una collaborazione tra fisici sperimentali e fisici teorici nell'ambito del progetto di eccellenza Dynamics and Topology (TopDyn), un sistema di tanti piccoli vortici magnetici potrebbe essere progettato per formare uno stato regolarmente ordinato. Tale transizione da una fase disordinata a una ordinata è analoga alla ben nota cristallizzazione, quale, però, avviene qui in due dimensioni. Per il lavoro di ricerca presso la Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), fisici sperimentali attorno al professor Mathias Kläui hanno collaborato con un gruppo di fisici teorici attorno al dottor Peter Virnau. I risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Materiali funzionali avanzati . Il centro di ricerca TopDyn è finanziato dallo stato federale tedesco della Renania-Palatinato.

I sistemi bidimensionali sono un'area di ricerca di attualità in fisica teorica e sperimentale. Questi sistemi possono raggiungere una serie di stati esotici e mostrare transizioni che non esistono in tre dimensioni. Un esempio è la transizione Kosterlitz-Thouless, per il quale è stato assegnato il Premio Nobel per la Fisica nel 2016. Un altro esempio è la cosiddetta fase esatica, che si verifica in sistemi di dischi rigidi bidimensionali tra la fase liquida disordinata e la fase solida fortemente ordinata.

Sistema modello bidimensionale generato da skyrmions

Nel lavoro ora presentato, vortici magnetici, i cosiddetti skyrmion, sono stati realizzati in film multistrato di metallo ultrasottile. Il numero di skyrmioni e la loro dimensione potrebbero essere regolati da campi magnetici applicati. Queste sono le condizioni ideali per la realizzazione sperimentale di sistemi modello bidimensionali densi. In particolare, i ricercatori sono stati in grado di generare un sistema sperimentale che mostra la firma di una fase esatica emergente. Ciò dimostra che il sistema si comporta effettivamente come un sistema bidimensionale e può essere descritto da dischi rigidi. Per di più, i risultati hanno permesso di determinare l'interazione repulsiva tra skyrmioni, che potrebbe essere modellato da simulazioni al computer.

"Sono molto contento che il lavoro congiunto tra il gruppo Soft Matter Theory del Dr. Peter Virnau e il nostro gruppo sperimentale abbia portato a questo entusiasmante lavoro. Tali nuove collaborazioni sono esattamente l'obiettivo del centro di ricerca TopDyn, ", ha affermato il professor Mathias Kläui, portavoce di TopDyn.

Poiché le proprietà degli skyrmioni possono essere regolate da campi magnetici esterni, questo è un primo passo importante verso la preparazione e l'analisi su misura della dinamica delle fasi bidimensionali e delle transizioni di fase. Prospettive di ulteriori possibilità di effetti da studiare in tali sistemi possono essere trovate in un articolo su News &Views pubblicato di recente in Nanotecnologia della natura .

Il centro di ricerca Dynamics and Topology è stato fondato nel 2019 come centro collaborativo della Johannes Gutenberg University Mainz, TU Kaiserslautern, e il Max Planck Institute for Polymer Research a Mainz. È finanziato dallo stato della Renania-Palatinato e persegue un approccio altamente interdisciplinare.