I ett samarbete mellan experimentella fysiker och teoretiska fysiker inom ramen för projektet Dynamics and Topology (TopDyn), ett system med många små magnetiska virvlar kunde konstrueras för att bilda ett regelbundet ordnat tillstånd. En sådan övergång från en störd till en ordnad fas är analog med den välkända kristalliseringen, som, dock, förekommer här i två dimensioner. För forskningsarbetet vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), experimentella fysiker kring professor Mathias Kläui samarbetade med en grupp teoretiska fysiker kring Dr. Peter Virnau. Resultaten har publicerats nyligen i tidningen Avancerade funktionella material . TopDyn forskningscenter finansieras av den tyska förbundsstaten Rheinland-Pfalz.

Tvådimensionella system är ett aktuellt forskningsområde inom teoretisk och experimentell fysik. Dessa system kan uppnå ett antal exotiska tillstånd och uppvisa övergångar som inte finns i tre dimensioner. Ett sådant exempel är övergången Kosterlitz-Thouless, som Nobelpriset i fysik tilldelades 2016. Ett annat exempel är den så kallade hexatiska fasen, som förekommer i system av tvådimensionella hårddiskar mellan den störda vätskan och den starkt ordnade fasta fasen.

Tvådimensionellt modellsystem genererat från skyrmions

I det arbete som nu presenteras, magnetiska virvlar, så kallade skyrmions, realiserades i ultratunna metallskiktfilmer. Antalet skyrmions och deras storlek kan justeras med tillämpade magnetfält. Dessa är idealiska förutsättningar för experimentell förverkligande av täta tvådimensionella modellsystem. Särskilt, forskarna kunde generera ett experimentellt system som visar signaturen av en framväxande hexatisk fas. Detta visar att systemet verkligen beter sig som ett tvådimensionellt system och kan beskrivas med hårddiskar. Vidare, resultaten tillåtna för bestämning av den frånstötande interaktionen mellan skyrmions, som kan modelleras med datorsimuleringar.

"Jag är mycket glad att det gemensamma arbetet mellan Soft Matter Theory -gruppen hos Dr. Peter Virnau och vår experimentella grupp ledde till detta spännande arbete. Sådana nya samarbeten är exakt målet för TopDyn -forskningscentret, "sade professor Mathias Kläui, TopDyn -talesman.

Eftersom skyrmions egenskaper kan ställas in med externa magnetfält, detta är ett viktigt första steg mot skräddarsydd förberedelse och analys av dynamiken i tvådimensionella faser och fasövergångar. Perspektiv på ytterligare möjligheter till effekter som ska studeras i sådana system finns i en nyligen publicerad artikel i News &Views Naturnanoteknik .

Forskningscentret Dynamics and Topology grundades 2019 som ett samarbetscentrum vid Johannes Gutenberg University Mainz, TU Kaiserslautern, och Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz. Det finansieras av delstaten Rheinland-Pfalz och har en mycket tvärvetenskaplig strategi.