Le strutture a cristalli liquidi ritorte liberano skyrmioni a temperatura ambiente

I ricercatori hanno recentemente scoperto un nuovo modo per creare strutture utili nei materiali magnetici utilizzando luce, calore e campi elettrici. Questo nuovo metodo, descritto in un recente studio pubblicato su Physical Review Letters , potrebbe portare a tecnologie più efficienti dal punto di vista energetico e flessibili per l’archiviazione dei dati e i dispositivi ottici.

Controllo delle strutture vorticose nei materiali magnetici

Nell’ambito della fisica della materia condensata, gli scienziati studiano come le proprietà macroscopiche emergono dalle interazioni di un gran numero di particelle microscopiche nei materiali. Nei materiali magnetici, in determinate condizioni si formano gli skyrmioni, strutture magnetiche vorticose topologicamente stabili su scala nanometrica.

Sebbene siano state osservate in magneti, superconduttori e cristalli liquidi, la loro nucleazione è spesso casuale o richiede condizioni estreme. Creare queste strutture a comando è difficile a causa delle elevate barriere energetiche e della mancanza di un controllo semplice e reversibile.

“La creazione di un oggetto topologico a partire da uno stato fondamentale privo di caratteristiche richiede campi esterni per superare una barriera energetica divergente, rendendo la nucleazione o stocastica (richiedendo fortuna termica) o eccessivamente violenta (richiedendo laser a femtosecondi)”, scrivono gli autori del nuovo studio.

Tuttavia, il team afferma che i cristalli liquidi (LC) si stanno rivelando un candidato promettente per il controllo degli skyrmioni. Un certo grado di controllo è stato dimostrato in studi che utilizzano luce, campi elettrici o superfici, ma la nucleazione deterministica e reversibile da uno stato semplice non era ancora stata osservata.

E così, basandosi su lavori precedenti, compresi i loro precedenti studi sulla trasformazione tra stati topologici mediante la luce, il team ha ideato un modo per controllare meglio gli skyrmioni nei cristalli liquidi.

Skyrmioni a richiesta nei cristalli liquidi

I ricercatori hanno condotto esperimenti sugli skyrmioni in celle microfluidiche a cristalli liquidi nematici , dispositivi su scala micrometrica che confinano molecole di cristalli liquidi a forma di bastoncino all’interno di canali per controllarne l’allineamento. Ciò ha permesso loro di applicare e manipolare luce polarizzata linearmente, campi elettrici o riscaldamento locale per indurre transizioni topologiche. Regolando determinati parametri, il team è stato in grado di abbassare la barriera energetica per creare skyrmioni nel materiale.

I loro esperimenti hanno dimostrato che i loop di skyrmioni possono essere nucleati a temperatura ambiente utilizzando tutti e tre gli input: luce, campi elettrici e riscaldamento locale. La nucleazione ha comportato una netta transizione topologica, caratterizzata da una torsione di 2π e da un calo di energia. Nel processo vengono create anche coppie di monopoli topologici che si muovono per minimizzare l’energia. Il team afferma che questo processo consente la riscrittura ottica e la manipolazione a basso consumo energetico di texture topologiche 3D.

“Ruotando la polarizzazione incidente con incrementi di 45°, l’angolo di torsione centrale varia da 0 a π, dopodiché una struttura pura, topologicamente banale, innescata dal rumore termico o da un debole impulso laser, collassa in un anello di mezzo skyrmione la cui sezione trasversale azimutale passa ciclicamente attraverso gli stati di mezzo Néelskyrmione, mezzo antiskyrmione e mezzo bimerone”, spiegano gli autori dello studio.

Una strada promettente per dispositivi riconfigurabili a basso consumo energetico

La capacità di controllare la creazione e l’annientamento degli skyrmioni nei materiali magnetici rappresenta un passo fondamentale per il progresso di alcune tecnologie in cui è necessario superare i limiti energetici e di scalabilità. Ad esempio, nelle memorie racetrack ad alta densità, il controllo della creazione e dell’annientamento degli skyrmioni consente una scrittura e una cancellazione dei dati più efficienti dal punto di vista energetico. Il team afferma inoltre che il processo trova applicazione anche nei metamateriali.

Gli autori dello studio scrivono: “Il lavoro suggerisce implicazioni più ampie che vanno oltre la scienza dei cristalli liquidi. Ad esempio, sarà interessante sfruttare la dinamica del monopolo come bit topologicamente protetti che si muovono lungo piste riconfigurabili. Inoltre, accoppiandoli al flusso, probabilmente saremo in grado di realizzare reticoli di skyrmioni autosostenuti, utilizzando colloidi o batteri attivi, che agiscono come metamateriali viventi.”

“Più in generale, poiché il campo del direttore è otticamente birifrangente , ogni transizione topologica imprime un reticolo di fase transitorio; le matrici di anelli indirizzabili potrebbero, in linea di principio, fornire un sistema modello per esplorare la fotonica topologica riconfigurabile e gli schemi di codifica delle informazioni.”

Astratto

I solitoni topologici promettono grandi risultati per rivoluzionare le tecnologie dell’informazione e dell’energia, eppure la loro creazione controllata rimane una sfida importante. Qui dimostriamo la nucleazione a temperatura ambiente di anelli di skyrmioni frazionari, difetti topologici tridimensionali semi-interi, all’interno di una cella microfluidica a cristalli liquidi nematici. Un singolo fascio di luce polarizzata linearmente ruota l’allineamento della superficie, accumulando torsione elastica fino a quando una texture topologicamente banale collassa in un robusto anello di skyrmioni. La sezione trasversale dell’anello si trasforma continuamente tra skyrmioni di Néel, antiskyrmioni e bimeroni. La microscopia polarizzata in tempo reale e le simulazioni basate sull’energia libera di Landau-de Gennes rivelano che la transizione avviene tramite un 2⁢discontinuità di torsione e un brusco calo di energia. Lo stesso protocollo può essere attivato da campi elettrici o riscaldamento locale e genera una coppia di ±1Monopoli topologici che migrano lungo l’anello per minimizzare l’energia libera. I nostri risultati stabiliscono i cristalli liquidi nematici come una piattaforma otticamente riscrivibile e a basso consumo energetico per generare texture topologiche tridimensionali arbitrarie, offrendo immediate opportunità per la fotonica riconfigurabile e i metamateriali topologici.

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