La fuerza destructiva de un tornado se produce debido a las velocidades de rotación extremadamente altas en su centro, que se llama vórtice. Asombrosamente, Se predicen efectos similares para la luz que viaja a lo largo de una superficie de oro atómicamente lisa, que puede exhibir momento angular y vórtices. Investigadores de las universidades de Stuttgart y Duisburg-Essen y de la Universidad de Melbourne (Australia) han logrado por primera vez filmar estos patrones de vórtice. que se llaman skyrmions, en la escala nanométrica. El periódico Ciencias informa sobre este trabajo pionero en su número del 24 de abril, 2020.

Cuando una patinadora artística comienza a realizar una pirueta y levanta los brazos, gira alrededor de su propio eje cada vez más rápido debido a la conservación del momento angular. En los calurosos días de verano el mismo efecto de pirueta crea los llamados "remolinos de polvo, " es decir., pequeños torbellinos de aire caliente, y también otorga a los grandes tornados su poder destructivo. El físico Tony Skyrme estudió estos vórtices en detalle en la década de 1960 en un campo de investigación llamado topología. Los patrones se llaman skyrmions en honor a su descubridor.

Luz que viaja atómicamente suave, Las superficies de oro nanoestructuradas también pueden tener una especie de momento angular, y por lo tanto se pueden formar vórtices. Sin embargo, en este caso, los vórtices tienen solo unos pocos cientos de nanómetros de tamaño, y el ojo de estas nano-tormentas tiene sólo unos pocos nanómetros de tamaño. Por lo tanto, nadie ha podido medir todavía la orientación exacta de estos vórtices. También era imposible mirar la dinámica del vórtice, porque el tiempo que tarda la luz en viajar una vez alrededor de tal vórtice es de solo unos pocos femtosegundos (billonésimas de milisegundo).

En un experimento revolucionario, un equipo de investigadores de la Universidad de Stuttgart, la Universidad de Duisburg-Essen, y la Universidad de Melbourne en Australia ha logrado por primera vez filmar tales skyrmions plasmónicos hechos de luz en la escala nanométrica. Los investigadores pudieron registrar la dirección del campo eléctrico y magnético de la luz en las tres dimensiones, e incluso midió su dinámica. El teórico Tim Davis de Melbourne, que visitó Stuttgart y Duisburg con el apoyo del centro cuántico IQST, calculó las longitudes de onda de luz requeridas, la forma óptima de las nanoestructuras, así como el grosor exacto de las plaquitas de oro. Él predijo cómo se comportarían las matrices regulares (llamadas celosías de skyrmion) de vórtices de luz.

Bettina Frank, del grupo de investigación de Harald Giessen en el 4º Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart, produjo plaquetas de oro atómicamente lisas con un grosor ajustable en el rango nanométrico utilizando un método recientemente desarrollado. Se utilizaron obleas de silicio extremadamente planas como sustrato para este propósito. Las plaquetas de oro se nanoestructuraron con un haz de iones de oro de alta precisión. Cuando se irradia con pulsos de láser de una longitud de onda cuidadosamente calculada en el rango infrarrojo, matrices de luz skyrmion enteras, los llamados skyrmions plasmónicos, podría ser creado.

La medición de la dinámica vectorial, es decir., la alineación tridimensional de los campos de luz del plasmón y su comportamiento temporal, se llevó a cabo con éxito en un nuevo experimento diseñado específicamente en el grupo de Frank Meyer zu Heringdorf en la Universidad de Duisburg-Essen. Los estudiantes de doctorado Pascal Dreher y David Janoschka enviaron pulsos de láser de solo 13 femtosegundos de duración a una longitud de onda de 800 nm sobre las plaquetas de oro con las nanoestructuras. El fotoefecto, por el que Einstein recibió su Premio Nobel, hace que se expulsen electrones de la muestra de oro, que luego se miden con un microscopio electrónico. Combinando inteligentemente varios pulsos de láser con diferentes polarizaciones de luz y repitiendo el experimento varias veces, los componentes vectoriales de los campos de luz podrían determinarse mediante proyección.

Al enviar dos pulsos de láser uno tras otro sobre la muestra, los nano-tornados de luz pueden ser excitados y posteriormente sondeados por pulsos láser ultracortos, de modo que dentro de la duración de aproximadamente una noche, se puede registrar una nanofilm completa de estos vórtices de luz.

Harald Giessen de Stuttgart cree que podría ser posible en el futuro, sobre la base de esta investigación, crear nuevos tipos de microscopios que podrían producir estructuras mucho más pequeñas con luz de lo que ha sido el caso hasta ahora. "La combinación del momento angular orbital y las propiedades del vector conduce a estructuras de vórtice plasmónico en el rango nanométrico incluso con óptica lineal, ", informa." También será posible observar experimentalmente la física del skyrmion resuelta en el tiempo en una variedad de condiciones de contorno ".

La interacción de tales campos de skyrmion y su momento angular orbital con partículas vecinas en semiconductores, por ejemplo en atómicamente delgado, materiales bidimensionales, será particularmente emocionante. "Gracias a nuestra nueva máquina de litografía por haz de iones Raith, tenemos posibilidades casi infinitas para generar diferentes nanoestructuras topológicas y estudiar su dinámica de skyrmion con la nanocámara de Duisburg ".