In een samenwerking tussen experimenteel fysici en theoretisch fysici in het kader van het excellentieproject Dynamics and Topology (TopDyn), een systeem van vele kleine magnetische wervelingen zou kunnen worden ontworpen om een ​​regelmatig geordende toestand te vormen. Een dergelijke overgang van een ongeordende naar een geordende fase is analoog aan de bekende kristallisatie, die, echter, komt hier in twee dimensies voor. Voor het onderzoekswerk aan de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU), experimentele fysici rond professor Mathias Kläui werkten samen met een groep theoretische fysici rond Dr. Peter Virnau. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen . Het onderzoekscentrum TopDyn wordt gefinancierd door de Duitse deelstaat Rijnland-Palts.

Tweedimensionale systemen zijn een actueel onderzoeksgebied in de theoretische en experimentele natuurkunde. Deze systemen kunnen een aantal exotische toestanden bereiken en overgangen vertonen die in drie dimensies niet bestaan. Een voorbeeld hiervan is de overgang van Kosterlitz-Thouless, waarvoor in 2016 de Nobelprijs voor de Natuurkunde werd toegekend. Een ander voorbeeld is de zogenaamde hexatische fase, die optreedt in systemen van tweedimensionale harde schijven tussen de ongeordende vloeibare en sterk geordende vaste fase.

Tweedimensionaal modelsysteem gegenereerd uit skyrmions

In het nu gepresenteerde werk magnetische wervelingen, zogenaamde skyrmions, werden gerealiseerd in ultradunne metalen meerlaagse films. Het aantal skyrmionen en hun grootte kunnen worden afgestemd door aangelegde magnetische velden. Dit zijn ideale omstandigheden voor de experimentele realisatie van dichte tweedimensionale modelsystemen. Vooral, de onderzoekers waren in staat om een ​​experimenteel systeem te genereren dat de handtekening van een opkomende hexatische fase vertoont. Dit toont aan dat het systeem zich inderdaad gedraagt ​​als een tweedimensionaal systeem en kan worden beschreven door harde schijven. Verder, de resultaten zorgden voor de bepaling van de weerzinwekkende interactie tussen skyrmionen, die kunnen worden gemodelleerd door computersimulaties.

"Ik ben erg blij dat het gezamenlijke werk tussen de Soft Matter Theory-groep van Dr. Peter Virnau en onze experimentele groep tot dit opwindende werk heeft geleid. Dergelijke nieuwe samenwerkingen zijn precies het doel van het TopDyn-onderzoekscentrum, " zei professor Mathias Kläui, TopDyn-woordvoerder.

Omdat de eigenschappen van skyrmionen kunnen worden afgestemd door externe magnetische velden, dit is een belangrijke eerste stap naar het op maat voorbereiden en analyseren van de dynamiek van tweedimensionale fasen en faseovergangen. Perspectieven van verdere mogelijkheden van te onderzoeken effecten in dergelijke systemen zijn te vinden in een recent verschenen News &Views-artikel in Natuur Nanotechnologie .

Het onderzoekscentrum Dynamics and Topology werd in 2019 opgericht als een samenwerkingscentrum van de Johannes Gutenberg University Mainz, TU Kaiserslautern, en het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz. Het wordt gefinancierd door de deelstaat Rijnland-Palts en streeft een zeer interdisciplinaire benadering na.