A força destrutiva de um tornado ocorre devido às velocidades de rotação extremamente altas em seu centro, que é chamado de vórtice. Surpreendentemente, efeitos semelhantes são previstos para a luz que viaja ao longo de uma superfície de ouro atomicamente lisa, que pode exibir momento angular e vórtices. Pesquisadores das Universidades de Stuttgart e Duisburg-Essen e da Universidade de Melbourne (Austrália) conseguiram pela primeira vez filmar esses padrões de vórtice, que são chamados de skyrmions, na escala nanométrica. O jornal Ciência relata este trabalho inovador em sua edição de 24 de abril, 2020.

Quando uma patinadora artística começa a fazer uma pirueta e levanta os braços, ela gira em torno de seu próprio eixo cada vez mais rápido devido à conservação do momento angular. Nos dias quentes de verão, o mesmo efeito de pirueta cria os chamados "redemoinhos de poeira, "ou seja, pequenos redemoinhos de ar quente, e também dá aos grandes tornados seu poder destrutivo. O físico Tony Skyrme estudou detalhadamente esses vórtices na década de 1960 em um campo de pesquisa chamado topologia. Os padrões são chamados de skyrmions em homenagem ao seu descobridor.

Luz que viaja atomicamente suave, superfícies de ouro nanoestruturadas também podem ter uma espécie de momento angular, e, portanto, vórtices podem se formar. Contudo, nesse caso, os vórtices têm apenas algumas centenas de nanômetros de tamanho, e o olho dessas nanotormas tem apenas alguns nanômetros de tamanho. Portanto, ninguém ainda foi capaz de medir a orientação exata desses vórtices. Também era impossível olhar para a dinâmica do vórtice, porque o tempo que a luz leva para percorrer esse vórtice é de apenas alguns femtossegundos (trilionésimos de milissegundo).

Em um experimento inovador, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Stuttgart, a Universidade de Duisburg-Essen, e a Universidade de Melbourne, na Austrália, conseguiu pela primeira vez filmar esses skyrmions plasmônicos feitos de luz na escala nanométrica. Os pesquisadores foram capazes de registrar a direção do campo elétrico e magnético da luz em todas as três dimensões, e até mediu sua dinâmica. Teórico Tim Davis de Melbourne, que visitou Stuttgart e Duisburg com o apoio do centro quântico IQST, calculou os comprimentos de onda de luz necessários, a forma ideal das nanoestruturas, bem como a espessura exata das plaquetas de ouro. Ele previu como arranjos regulares (chamados de estruturas de skyrmion) de vórtices de luz se comportariam.

Bettina Frank, do grupo de pesquisa de Harald Giessen no 4º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart, produziu plaquetas de ouro atomicamente lisas com espessura ajustável na faixa nanométrica usando um método recentemente desenvolvido. Wafers de silício extremamente planos foram usados ​​como substrato para este propósito. As plaquetas de ouro foram nanoestruturadas com um feixe de íons de ouro de alta precisão. Quando irradiado com pulsos de laser de um comprimento de onda cuidadosamente calculado na faixa do infravermelho, matrizes inteiras de skyrmion de luz, os chamados skyrmions plasmônicos, poderia ser criado.

A medição da dinâmica vetorial, ou seja, o alinhamento tridimensional dos campos de luz de plasmon e seu comportamento temporal, foi realizado com sucesso em um novo experimento especificamente projetado no grupo de Frank Meyer zu Heringdorf na Universidade de Duisburg-Essen. Os estudantes de doutorado Pascal Dreher e David Janoschka enviaram pulsos de laser de apenas 13 femtossegundos com comprimento de onda de 800 nm para as plaquetas de ouro com as nanoestruturas. O efeito fotográfico, pelo qual Einstein recebeu seu Prêmio Nobel, faz com que os elétrons sejam ejetados da amostra de ouro, que são então medidos com um microscópio eletrônico. Combinando de forma inteligente vários pulsos de laser com diferentes polarizações de luz e repetindo o experimento várias vezes, os componentes do vetor dos campos de luz podem ser determinados por projeção.

Ao enviar dois pulsos de laser um após o outro para a amostra, os nano-tornados de luz podem ser excitados e subsequentemente sondados por pulsos de laser ultracurtos, de modo que dentro da duração de cerca de uma noite, um nanofilme inteiro desses vórtices de luz pode ser registrado.

Harald Giessen, de Stuttgart, acredita que pode ser possível no futuro, com base nessa pesquisa, criar novos tipos de microscópios que podem produzir estruturas muito menores com a luz do que tem sido o caso até agora. "A combinação do momento angular orbital e as propriedades do vetor leva a estruturas de vórtices plasmônicos na faixa nanométrica, mesmo com óptica linear, "Ele relata." Também será possível observar experimentalmente a física do skyrmion resolvida no tempo sob uma variedade de condições de contorno. "

A interação de tais campos skyrmion e seu momento angular orbital com partículas vizinhas em semicondutores, por exemplo, em atomicamente fino, materiais bidimensionais, será particularmente emocionante. "Graças à nossa nova máquina de litografia por feixe de íons Raith, temos possibilidades quase infinitas para gerar diferentes nanoestruturas topológicas e estudar sua dinâmica de skyrmion com a nanocâmera de Duisburg. "