De introductie van topologie, een tak van de wiskunde die zich richt op de eigenschappen van 'knopen, ' in de natuurkunde heeft revolutionaire concepten geïnspireerd zoals topologische fasen van materie en topologische faseovergangen, wat resulteerde in de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2016.

Magnetische skyrmionen, spin "nano-tornados" genoemd naar deeltjesfysicus Tony Skyrme, met unieke topologie (wikkelconfiguraties), hebben het afgelopen decennium steeds meer aandacht getrokken vanwege zowel hun belang in de fundamentele fysica als hun veelbelovende toepassingen in magnetische opslag van de volgende generatie. Deze nano-tornado's, ook bekend als quasi-deeltjes (in tegenstelling tot echte materiedeeltjes zoals atomen en elektronen), kristallijne structuren kan vormen, dat wil zeggen, ze rangschikken op een periodieke en symmetrische manier op dezelfde manier als atomen in een kwartskristal.

Uit ervaringen uit het dagelijks leven, we zijn ons ervan bewust dat een kristallijne vaste stof, zoals ijs, kan smelten bij verhitting. Je hebt misschien ook opgemerkt dat al dergelijke smeltovergangen in een enkele stap plaatsvinden, d.w.z. van de vaste toestand rechtstreeks naar de vloeibare toestand. In het kader van topologische faseovergang in een zeer dun kristal, echter, een smeltproces kan twee stappen duren, via een topologische fase genaamd de hexatische fase. Hoe ziet zo'n topologische fase eruit, en hoe gebeurt dit smeltproces?

Nutsvoorzieningen, EPFL-natuurkundigen hebben een manier gevonden om het hele smeltproces te visualiseren, zoals onlangs gemeld in Natuur Nanotechnologie . Onderzoekers van het Laboratorium voor Quantum Magnetisme (LQM), Laboratorium voor Ultrasnelle Microscopie en Elektronenverstrooiing (LUMES), Centre Interdisciplinaire de Microscopie Électronique (CIME) en Crystal Growth Facility hebben aangetoond dat de skyrmionkristallen in de verbinding Cu ₂ OSeO ₃ kan worden gesmolten door het magnetische veld in twee stappen te variëren, met elke stap geassocieerd met een specifiek type topologische defecten.

De onderzoekers gebruikten een ultramoderne techniek genaamd Lorentz Transmission Electron Microscopy (LTEM) die magnetische texturen in nanometrische resolutie kan afbeelden om skyrmionen te visualiseren die zijn ingebed in een zeer dunne plak Cu ₂ OSeO ₃ kristal bij -250 graden Celsius. Ze namen enorme beelden en video's op bij het variëren van het magnetische veld. Door uitgebreide kwantitatieve analyse, twee nieuwe fasen, de skyrmion hexatische fase en de skyrmion vloeibare fase, zijn aangetoond. Nieuwe fasen van de materie hebben vaak de mogelijkheden van nieuwe functionaliteiten, en dit werk, door ze duidelijk te bekijken, de weg vrijmaakt voor verder onderzoek en ontwikkeling.