È un fenomeno familiare:se una trottola viene urtata o viene messa in rotazione su un piano inclinato, di solito non si muove in linea retta, ma invece disegna una serie di archetti. I ricercatori della Technische Universität Berlin e della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) insieme a gruppi di ricerca di Paesi Bassi e Svizzera sono ora riusciti a catturare e registrare questo modello di movimento in un sistema magnetico a film sottile, sotto forma di piccoli nanovortici magnetici. Così facendo, i ricercatori hanno fatto una nuova scoperta:i nanovortici possiedono massa. L'articolo sarà pubblicato sulla rinomata rivista scientifica Fisica della natura .

"Con l'aiuto dei campi magnetici, possiamo creare selettivamente i nanovortici magnetici, quindi dai loro una spinta in modo che vengano deviati dalla loro posizione di equilibrio", spiega il dottor Felix Büttner, che ha perseguito questa ricerca come il suo dottorato di ricerca. progetto. "Siamo stati quindi in grado di tracciare in modo molto preciso come questi skyrmion, come vengono chiamati questi speciali nanovortici, tornare alla posizione di riposo", Büttner spiega ulteriormente. I vortici si formano in un sistema magnetico di multistrati a film sottile, dove strati alternati composti da una lega di cobalto-boro e platino sono impilati uno sull'altro. Ogni singolo strato ha uno spessore inferiore a un nanometro. Questa disposizione consente ai ricercatori di adattare in modo molto specifico le proprietà magnetiche del sistema, permettendo agli skyrmion di esistere. Il diametro di questi vortici magnetici non supera i 100 nanometri. È circa 1/1000 del diametro di un capello umano.

Tecniche speciali hanno permesso ai ricercatori di tracciare i movimenti degli skyrmioni con una precisione migliore di pochi nanometri a intervalli temporali individuali a distanza di meno di un nanosecondo. Ciò è stato facilitato dalle tecniche di registrazione olografica che utilizzano intensi impulsi a raggi X della sorgente di sincrotrone BESSY II a Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Queste tecniche di registrazione olografica sono state sviluppate e migliorate dal gruppo di ricerca TU Berlin "Nanometre Optics and X-ray Scattering" in collaborazione con HZB nel corso di diversi anni, uno sforzo congiunto diretto dal Prof. Stefan Eisebitt della TU Berlin.

Ciò che Büttner e i suoi collaboratori hanno osservato negli ologrammi a raggi X è stato notevole:"Simile a urtare una trottola, il nanovortice non si muove in linea retta, ma invece lungo una traiettoria a spirale", spiega Buttner. "Confrontando le nostre misurazioni con i calcoli del modello, siamo stati in grado di determinare che questo movimento a forma di spirale può essere spiegato solo se lo skyrmion ha massa."

Questa è una scoperta importante, poiché i nanovortici qui osservati rappresentano solo un tipo speciale di skyrmioni presenti in natura. "Nel passato, gli skyrmioni venivano spesso descritti come privi di massa", spiega Christoforos Moutafis dell'Istituto Paul Scherrer, che è stato a lungo coinvolto nella descrizione teorica di questo tipo di strutture. Ora, l'applicazione del concetto di massa a tali particelle, come stabilito da questo lavoro, contribuirà anche alla comprensione di altri tipi di skyrmioni, come sottolineano i ricercatori sulla rinomata rivista scientifica Fisica della natura .

Potrebbero esserci anche applicazioni tangibili per questi nanovortici magnetici all'interno di strati magnetici sottili:sono già in discussione oggi come mezzo di informazione alternativo nell'elaborazione e nell'archiviazione dei dati. I ricercatori sospettano che a causa della loro "proprietà skyrmion", tali bit (unità di informazione) possono essere memorizzati in modo più denso e trasferiti in modo più affidabile di quanto non avvenga attualmente. Le nuove intuizioni sul comportamento degli skyrmion potrebbero contribuire alla realizzazione di questo tipo di nuovi concetti per l'elaborazione delle informazioni.