Den destruktiva kraften hos en tornado uppstår på grund av de extremt höga rotationshastigheterna i dess centrum, som kallas virvel. Förvånande, liknande effekter förutsägs för ljus som färdas längs en atomärt slät guldyta, som kan uppvisa rörelsemängd och virvlar. Forskare vid universiteten i Stuttgart och Duisburg-Essen och University of Melbourne (Australien) har nu lyckats för första gången filma dessa virvelmönster, som kallas skyrmioner, på nanometerskalan. Journalen Vetenskap rapporterar detta banbrytande arbete i sitt nummer av den 24 april, 2020.

När en konståkare börjar utföra en piruett och höjer armarna, hon vänder sig om sin egen axel allt snabbare på grund av bevarandet av rörelsemängd. Under varma sommardagar, samma piruetteffekt skapar så kallade "dammdjävlar, "dvs. små virvelvindar av varm luft, och det ger också stora tornados deras destruktiva kraft. Fysikern Tony Skyrme studerade sådana virvlar i detalj på 1960-talet inom ett forskningsfält som kallas topologi. Mönstren kallas skyrmioner efter deras upptäckare.

Ljus som färdas längs atommjukt, nanostrukturerade guldytor kan också ha ett slags vinkelmoment, och därför kan virvlar bildas. Dock, I detta fall, virvlarna är bara några hundra nanometer stora, och ögat av dessa nanostorm är bara några nanometer stort. Därför, ingen har ännu kunnat mäta den exakta orienteringen av dessa virvlar. Det var också omöjligt att se på virveldynamiken, eftersom tiden det tar ljus att resa en gång runt en sådan virvel bara är några femtosekunder (biljondelar av en millisekund).

I ett genombrottsexperiment, ett team av forskare från universitetet i Stuttgart, universitetet i Duisburg-Essen, och University of Melbourne i Australien har för första gången lyckats filma sådana plasmoniska skyrmioner gjorda av ljus på nanometerskalan. Forskarna kunde registrera riktningen för ljusets elektriska och magnetiska fält i alla tre dimensioner, och mätte till och med dess dynamik. Teoretiker Tim Davis från Melbourne, som besökte Stuttgart och Duisburg med stöd av IQST quantum center, beräknat de erforderliga ljusvåglängderna, den optimala formen på nanostrukturerna, samt guldplättarnas exakta tjocklek. Han förutspådde hur vanliga arrayer (kallade skyrmiongitter) av ljusvirvlar skulle bete sig.

Bettina Frank från Harald Giessens forskargrupp vid 4:e fysikinstitutet vid universitetet i Stuttgart producerade atomärt släta guldplättar med justerbar tjocklek i nanometerområdet med hjälp av en nyutvecklad metod. Extremt platta kiselwafers användes som substrat för detta ändamål. Guldplättarna var nanostrukturerade med en guldjonstråle med hög precision. När den bestrålas med laserpulser med en noggrant beräknad våglängd i det infraröda området, hela skyrmions uppsättningar av ljus, så kallade plasmoniska skyrmioner, kunde skapas.

Mätningen av vektordynamiken, dvs. den tredimensionella inriktningen av plasmonljusfälten och deras tidsbeteende, genomfördes framgångsrikt i ett specialdesignat nytt experiment i gruppen Frank Meyer zu Heringdorf vid universitetet i Duisburg-Essen. Doktoranderna Pascal Dreher och David Janoschka skickade laserpulser av endast 13 femtosekunders varaktighet vid 800 nm våglängd till guldplättarna med nanostrukturerna. Fotoeffekten, som Einstein fick sitt Nobelpris för, gör att elektroner kastas ut ur guldprovet, som sedan mäts med ett elektronmikroskop. Genom att smart kombinera flera laserpulser med olika ljuspolarisationer och upprepa experimentet flera gånger, vektorkomponenterna i ljusfälten kunde bestämmas genom projektion.

Genom att skicka två laserpulser efter varandra till provet, nano-tornadoerna av ljus kan både exciteras och därefter sonderas av ultrakorta laserpulser, så att inom en natt, en hel nanofilm av dessa lätta virvlar kan spelas in.

Harald Giessen från Stuttgart tror att det i framtiden kan vara möjligt att på grundval av denna forskning skapa nya typer av mikroskop som kan producera mycket mindre strukturer med ljus än vad som har varit fallet hittills. "Kombinationen av det orbitala vinkelmomentet och vektoregenskaperna leder till plasmoniska virvelstrukturer i nanometerområdet även med linjär optik, " rapporterar han. "Det kommer också att vara möjligt att experimentellt observera tidsupplöst skyrmions fysik under en mängd olika randvillkor."

Samspelet mellan sådana skyrmionfält och deras orbitala vinkelmoment med närliggande partiklar i halvledare, till exempel i atomärt tunna, tvådimensionella material, kommer att bli särskilt spännande. "Tack vare vår nya Raith jonstrålelitografimaskin, vi har nästan oändliga möjligheter att generera olika topologiska nanostrukturer och studera deras skyrmiondynamik med Duisburgs nanokamera."