Dans une collaboration entre physiciens expérimentateurs et physiciens théoriciens dans le cadre du projet d'excellence Dynamique et Topologie (TopDyn), un système de nombreux petits tourbillons magnétiques pourrait être conçu pour former un état régulièrement ordonné. Une telle transition d'une phase désordonnée à une phase ordonnée est analogue à la cristallisation bien connue, lequel, cependant, se produit ici en deux dimensions. Pour les travaux de recherche à l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), des physiciens expérimentaux autour du professeur Mathias Kläui ont coopéré avec un groupe de physiciens théoriciens autour du Dr Peter Virnau. Les résultats ont été publiés récemment dans la revue Matériaux fonctionnels avancés . Le centre de recherche TopDyn est financé par l'État fédéral allemand de Rhénanie-Palatinat.

Les systèmes bidimensionnels sont un domaine de recherche d'actualité en physique théorique et expérimentale. Ces systèmes peuvent atteindre un certain nombre d'états exotiques et présenter des transitions qui n'existent pas en trois dimensions. Un exemple est la transition Kosterlitz-Thouless, pour laquelle le prix Nobel de physique a été décerné en 2016. Un autre exemple est la phase dite hexatique, qui se produit dans les systèmes de disques durs bidimensionnels entre la phase liquide désordonnée et la phase solide fortement ordonnée.

Système de modèle bidimensionnel généré à partir de skyrmions

Dans l'ouvrage qui vient d'être présenté, tourbillons magnétiques, ce qu'on appelle skyrmions, ont été réalisés dans des films multicouches métalliques ultra-minces. Le nombre de skyrmions et leur taille pourraient être ajustés par des champs magnétiques appliqués. Ce sont des conditions idéales pour la réalisation expérimentale de systèmes modèles bidimensionnels denses. En particulier, les chercheurs ont pu générer un système expérimental qui présente la signature d'une phase hexatique émergente. Cela démontre que le système se comporte bien comme un système bidimensionnel et peut être décrit par des disques durs. Par ailleurs, les résultats ont permis de déterminer l'interaction répulsive entre skyrmions, qui pourraient être modélisés par des simulations informatiques.

"Je suis très heureux que le travail conjoint entre le groupe Théorie de la matière molle du Dr Peter Virnau et notre groupe expérimental ait conduit à ce travail passionnant. De telles nouvelles collaborations sont exactement l'objectif du centre de recherche TopDyn, " a déclaré le professeur Mathias Kläui, porte-parole de TopDyn.

Étant donné que les propriétés des skyrmions peuvent être réglées par des champs magnétiques externes, il s'agit d'une première étape importante vers la préparation et l'analyse sur mesure de la dynamique des phases bidimensionnelles et des transitions de phase. Des perspectives d'autres possibilités d'effets à étudier dans de tels systèmes peuvent être trouvées dans un article de News &Views récemment publié dans Nature Nanotechnologie .

Le centre de recherche Dynamique et topologie a été fondé en 2019 en tant que centre collaboratif de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence, TU Kaiserslautern, et l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères à Mayence. Il est financé par l'État de Rhénanie-Palatinat et poursuit une approche hautement interdisciplinaire.