Pannello superiore:configurazione di spin di uno skyrmion. Pannello inferiore:tassellazione Voronoi di configurazioni rappresentative del reticolo skyrmion nel solido, rispettivamente la fase esatica e quella liquida. Credito:Huang Ping (Università di Xi'an Jiaotong)
L'introduzione della topologia una branca della matematica che si concentra sulle proprietà dei "nodi", ' nella fisica ha ispirato concetti rivoluzionari come le fasi topologiche della materia e le transizioni di fase topologiche, che ha portato al Premio Nobel per la Fisica nel 2016.
Skyrmioni magnetici, spin "nano-tornados" dal nome del fisico delle particelle Tony Skyrme, con topologia unica (configurazioni di avvolgimento), hanno attirato una crescente attenzione nell'ultimo decennio sia per la loro importanza nella fisica fondamentale sia per le loro promettenti applicazioni nella memoria magnetica di prossima generazione. Questi nano-tornado, noto anche come quasi-particelle (in contrasto con le particelle di materia reale come atomi ed elettroni), possono formare strutture cristalline, cioè si dispongono in modo periodico e simmetrico allo stesso modo degli atomi in un cristallo di quarzo.
Da esperienze di vita quotidiana, siamo consapevoli che un solido cristallino, come il ghiaccio, può fondere con il riscaldamento. Si potrebbe anche aver notato che tutte queste transizioni di fusione avvengono in un unico passaggio, cioè dallo stato solido direttamente allo stato liquido. Nel quadro della transizione di fase topologica in un cristallo molto sottile, però, un processo di fusione può richiedere due passaggi, attraverso una fase topologica chiamata fase esatica. Come appare una tale fase topologica, e come avviene questo processo di fusione?
Ora, I fisici dell'EPFL hanno trovato un modo per visualizzare l'intero processo di fusione, come riportato di recente in Nanotecnologia della natura . Ricercatori del Laboratorio di Magnetismo Quantico (LQM), Laboratorio di microscopia ultraveloce e diffusione di elettroni (LUMES), Il Centre Interdisciplinaire de Microscopie Électronique (CIME) e la Crystal Growth Facility hanno dimostrato che i cristalli di skyrmion nel composto Cu 2 OSeO 3 può essere fuso variando il campo magnetico attraverso due fasi, con ogni passaggio associato a un tipo specifico di difetti topologici.
I ricercatori hanno utilizzato una tecnica all'avanguardia chiamata Lorentz Transmission Electron Microscopy (LTEM) in grado di visualizzare trame magnetiche con risoluzione nanometrica per visualizzare skyrmioni incorporati in una lastra molto sottile di Cu 2 OSeO 3 cristallo a -250 gradi Celsius. Hanno registrato immagini e video enormi al variare del campo magnetico. Con un'analisi quantitativa completa, due nuove fasi, la fase esatica skyrmion e la fase liquida skyrmion, sono stati dimostrati. Le nuove fasi della materia spesso offrono opportunità di nuove funzionalità, e questo lavoro, visualizzandoli chiaramente, apre la strada a ulteriori attività di ricerca e sviluppo.
