En una colaboración entre físicos experimentales y físicos teóricos en el marco del proyecto de excelencia Dinámica y Topología (TopDyn), Se podría diseñar un sistema de muchos pequeños remolinos magnéticos para formar un estado ordenado regularmente. Tal transición de una fase desordenada a una ordenada es análoga a la conocida cristalización, cuales, sin embargo, ocurre aquí en dos dimensiones. Para el trabajo de investigación en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), Los físicos experimentales en torno al profesor Mathias Kläui cooperaron con un grupo de físicos teóricos en torno al Dr. Peter Virnau. Los resultados se han publicado recientemente en la revista Materiales funcionales avanzados . El centro de investigación TopDyn está financiado por el estado federal alemán de Renania-Palatinado.

Los sistemas bidimensionales son un área de investigación de actualidad en física teórica y experimental. Estos sistemas pueden alcanzar una serie de estados exóticos y exhibir transiciones que no existen en tres dimensiones. Un ejemplo de ello es la transición Kosterlitz-Thouless, por la que se otorgó el Premio Nobel de Física en 2016. Otro ejemplo es la llamada fase hexática, que ocurre en sistemas de discos duros bidimensionales entre el líquido desordenado y la fase sólida fuertemente ordenada.

Sistema de modelo bidimensional generado a partir de skyrmions

En el trabajo ahora presentado, remolinos magnéticos, los llamados skyrmions, se realizaron en películas multicapa de metal ultradelgadas. El número de skyrmions y su tamaño podrían ajustarse mediante la aplicación de campos magnéticos. Estas son las condiciones ideales para la realización experimental de densos sistemas de modelos bidimensionales. En particular, los investigadores pudieron generar un sistema experimental que exhibe la firma de una fase hexática emergente. Esto demuestra que el sistema de hecho se comporta como un sistema bidimensional y puede describirse mediante discos duros. Es más, los resultados permitieron determinar la interacción repulsiva entre skyrmions, que podría modelarse mediante simulaciones por ordenador.

"Estoy muy contento de que el trabajo conjunto entre el grupo de Teoría de la materia blanda del Dr. Peter Virnau y nuestro grupo experimental haya conducido a este emocionante trabajo. Estas nuevas colaboraciones son exactamente el objetivo del centro de investigación TopDyn, "dijo el profesor Mathias Kläui, Portavoz de TopDyn.

Dado que las propiedades de los skyrmions pueden ajustarse mediante campos magnéticos externos, Este es un primer paso importante hacia la preparación y el análisis personalizados de la dinámica de las fases bidimensionales y las transiciones de fase. Se pueden encontrar perspectivas de nuevas posibilidades de efectos a estudiar en tales sistemas en un artículo de News &Views recientemente publicado en Nanotecnología de la naturaleza .

El centro de investigación de dinámica y topología se fundó en 2019 como un centro colaborativo de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, TU Kaiserslautern, y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros en Mainz. Está financiado por el estado de Renania-Palatinado y persigue un enfoque altamente interdisciplinario.