Magnetiske hvirvler krystalliserer i to dimensioner

I et samarbejde mellem eksperimentelle fysikere og teoretiske fysikere inden for rammerne af Dynamics and Topology (TopDyn) excellence-projektet, et system af mange små magnetiske hvirvler kunne konstrueres til at danne en regelmæssigt ordnet tilstand. En sådan overgang fra en uordnet til en ordnet fase er analog med den velkendte krystallisation, hvilken, imidlertid, forekommer her i to dimensioner. For forskningsarbejdet ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), eksperimentelle fysikere omkring professor Mathias Kläui samarbejdede med en gruppe teoretiske fysikere omkring Dr. Peter Virnau. Resultaterne er for nylig blevet offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer . TopDyn forskningscenter er finansieret af den tyske forbundsstat Rheinland-Pfalz.

Todimensionelle systemer er et aktuelt forskningsområde inden for teoretisk og eksperimentel fysik. Disse systemer kan opnå en række eksotiske tilstande og udvise overgange, der ikke eksisterer i tre dimensioner. Et sådant eksempel er overgangen Kosterlitz-Thouless, som Nobelprisen i fysik blev uddelt for i 2016. Et andet eksempel er den såkaldte hexatiske fase, som forekommer i systemer af todimensionelle hårde skiver mellem den uordnede væskeformige og stærkt ordnede faste fase.

Todimensionelt modelsystem genereret fra skyrmioner

I det nu fremlagte arbejde, magnetiske hvirvler, såkaldte skyrmioner, blev realiseret i ultratynde metal-flerlagsfilm. Antallet af skyrmioner og deres størrelse kunne tunes af påførte magnetfelter. Disse er ideelle betingelser for den eksperimentelle realisering af tætte todimensionelle modelsystemer. I særdeleshed, forskerne var i stand til at generere et eksperimentelt system, der udviser signaturen af ​​en spirende heksatisk fase. Dette viser, at systemet faktisk opfører sig som et todimensionelt system og kan beskrives af harddiske. Desuden, resultaterne gjorde det muligt at bestemme den frastødende interaktion mellem skyrmioner, som kunne modelleres ved computersimuleringer.

"Jeg er meget glad for, at det fælles arbejde mellem Soft Matter Theory-gruppen af ​​Dr. Peter Virnau og vores forsøgsgruppe førte til dette spændende arbejde. Sådanne nye samarbejder er netop formålet med TopDyn forskningscenter, sagde professor Mathias Kläui, TopDyn talsmand.

Da egenskaberne af skyrmioner kan tunes af eksterne magnetfelter, dette er et vigtigt første skridt i retning af skræddersyet forberedelse og analyse af dynamikken i todimensionelle faser og faseovergange. Perspektiver af yderligere muligheder for effekter, der skal studeres i sådanne systemer, kan findes i en nyligt offentliggjort News &Views-artikel i Natur nanoteknologi .

Dynamics and Topology Research Center blev grundlagt i 2019 som et samarbejdscenter for Johannes Gutenberg University Mainz, TU Kaiserslautern, og Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz. Det er finansieret af staten Rheinland-Pfalz og forfølger en meget tværfaglig tilgang.