De vernietigende kracht van een tornado treedt op vanwege de extreem hoge rotatiesnelheden in het midden, wat een draaikolk wordt genoemd. Verrassend genoeg, soortgelijke effecten worden voorspeld voor licht dat langs een atomair glad gouden oppervlak reist, die impulsmoment en wervelingen kunnen vertonen. Onderzoekers van de universiteiten van Stuttgart en Duisburg-Essen en de Universiteit van Melbourne (Australië) zijn er nu voor het eerst in geslaagd deze vortexpatronen te filmen, die skyrmionen worden genoemd, op nanometerschaal. Het journaal Wetenschap meldt dit baanbrekende werk in zijn nummer van 24 april, 2020.

Wanneer een kunstschaatsster een pirouette begint uit te voeren en haar armen opheft, ze draait steeds sneller om haar eigen as door het behoud van impulsmoment. Op warme zomerdagen, hetzelfde pirouette-effect creëert zogenaamde "stofduivels, "d.w.z. kleine wervelwinden van hete lucht, en het geeft ook grote tornado's hun vernietigende kracht. De natuurkundige Tony Skyrme heeft dergelijke wervels in de jaren zestig in detail bestudeerd in een onderzoeksgebied dat topologie wordt genoemd. De patronen worden skyrmionen genoemd naar hun ontdekker.

Licht dat atomair soepel voortbeweegt, nanogestructureerde gouden oppervlakken kunnen ook een soort impulsmoment hebben, en daardoor kunnen zich wervels vormen. Echter, in dit geval, de wervels zijn slechts een paar honderd nanometer groot, en het oog van deze nanostorm is slechts enkele nanometers groot. Daarom, niemand heeft de exacte oriëntatie van deze wervels kunnen meten. Het was ook onmogelijk om naar de vortexdynamiek te kijken, omdat de tijd die het licht nodig heeft om eenmaal rond zo'n draaikolk te reizen slechts enkele femtoseconden (biljoensten van een milliseconde) is.

In een doorbraakexperiment een team van onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart, de universiteit van Duisburg-Essen, en de Universiteit van Melbourne in Australië is er voor het eerst in geslaagd om dergelijke plasmonische skyrmionen gemaakt van licht op nanometerschaal te filmen. De onderzoekers waren in staat om de richting van het elektrische en magnetische veld van het licht in alle drie de dimensies vast te leggen, en zelfs de dynamiek ervan gemeten. Theoreticus Tim Davis uit Melbourne, die Stuttgart en Duisburg bezochten met steun van het IQST-kwantumcentrum, de benodigde lichtgolflengten berekend, de optimale vorm van de nanostructuren, evenals de exacte dikte van de goudplaatjes. Hij voorspelde hoe regelmatige arrays (skyrmion-roosters genaamd) van lichte wervels zich zouden gedragen.

Bettina Frank van de onderzoeksgroep van Harald Giessen aan het 4e Natuurkundig Instituut van de Universiteit van Stuttgart produceerde met een nieuw ontwikkelde methode atomair gladde goudplaatjes met instelbare dikte in het nanometerbereik. Hiervoor werden extreem platte siliciumwafels als substraat gebruikt. De goudplaatjes waren nanogestructureerd met een zeer nauwkeurige goudionenstraal. Wanneer bestraald met laserpulsen van een zorgvuldig berekende golflengte in het infraroodbereik, hele skyrmion-arrays van licht, zogenaamde plasmonische skyrmionen, zou kunnen worden gecreëerd.

De meting van de vectordynamiek, d.w.z., de driedimensionale uitlijning van de plasmon-lichtvelden en hun temporele gedrag, werd met succes uitgevoerd in een speciaal ontworpen nieuw experiment in de groep van Frank Meyer zu Heringdorf aan de Universiteit van Duisburg-Essen. Promovendi Pascal Dreher en David Janoschka stuurden laserpulsen van slechts 13 femtoseconden op een golflengte van 800 nm op de goudplaatjes met de nanostructuren. Het foto-effect, waarvoor Einstein zijn Nobelprijs ontving, zorgt ervoor dat elektronen uit het goudmonster worden geworpen, die vervolgens worden gemeten met een elektronenmicroscoop. Door meerdere laserpulsen slim te combineren met verschillende lichtpolarisaties en het experiment meerdere keren te herhalen, de vectorcomponenten van de lichtvelden konden worden bepaald door projectie.

Door twee laserpulsen na elkaar op het monster te sturen, de nano-tornado's van licht kunnen zowel worden geëxciteerd als vervolgens worden onderzocht door ultrakorte laserpulsen, zodat binnen de duur van ongeveer een nacht, een hele nanofilm van deze lichtwervels kan worden vastgelegd.

Harald Giessen uit Stuttgart denkt dat het op basis van dit onderzoek in de toekomst mogelijk zou kunnen zijn om nieuwe soorten microscopen te maken die met licht veel kleinere structuren kunnen maken dan tot nu toe het geval was. "De combinatie van het baanimpulsmoment en de vectoreigenschappen leidt tot plasmonische vortexstructuren in het nanometerbereik, zelfs met lineaire optica, " rapporteert hij. "Het zal ook mogelijk zijn om in de tijd opgeloste skyrmion-fysica experimenteel te observeren onder verschillende randvoorwaarden."

De interactie van dergelijke skyrmionvelden en hun baanimpulsmoment met naburige deeltjes in halfgeleiders, bijvoorbeeld in atomair dunne, tweedimensionale materialen, bijzonder spannend zal zijn. "Dankzij onze nieuwe Raith-ionenstraallithografiemachine, we hebben bijna oneindige mogelijkheden om verschillende topologische nanostructuren te genereren en hun skyrmion-dynamiek te bestuderen met de Duisburg-nanocamera."