Skyrmioni: particelle fondamentali modellate in fascio di luce

Gli scienziati dell'Università di Birmingham sono riusciti a creare un modello sperimentale di un tipo sfuggente di particella fondamentale chiamata skyrmion in un raggio di luce

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Gli scienziati dell’Università di Birmingham sono riusciti a creare un modello sperimentale di un tipo sfuggente di particella fondamentale chiamata skyrmion in un raggio di luce.

La svolta fornisce ai fisici un vero e proprio sistema che dimostra il comportamento degli skyrmioni, proposto per la prima volta 60 anni fa da un fisico matematico dell’Università di Birmingham, il professor Tony Skyrme.

L’idea di Skyrme utilizzava la struttura delle sfere nello spazio quadridimensionale per garantire la natura indivisibile di una particella skyrmion in 3 dimensioni. Si ipotizza che gli skyrmioni 3D simili a particelle ci parlino delle prime origini dell’Universo, o della fisica dei materiali esotici o degli atomi freddi. Tuttavia, nonostante siano stati studiati per oltre 50 anni, gli skyrmioni 3D sono stati visti molto raramente negli esperimenti. La ricerca più recente sugli skyrmioni si concentra sugli analoghi 2D, che mostrano una promessa per le nuove tecnologie.

In un nuovo studio, pubblicato su Nature Communications, la collaborazione internazionale tra ricercatori dell’Università di Birmingham, Lancaster, Münster (Germania) e RIKEN (Giappone), ha dimostrato per la prima volta come gli skyrmioni possono essere misurati in tre dimensioni.

Il professor Mark Dennis, che ha guidato la ricerca, ha dichiarato: “Gli Skyrmion hanno incuriosito e sfidato i fisici per molti decenni. Sebbene stiamo facendo buoni progressi nell’investigare gli skyrmion in 2D, viviamo in un mondo 3D. Abbiamo bisogno di un sistema in grado di modellare uno skyrmion in tutti i suoi possibili stati in un modo che potesse essere misurato. Ci siamo resi conto che un raggio di luce poteva essere sfruttato per questo scopo perché siamo in grado di controllarne da vicino le proprietà, e quindi usarlo come piattaforma per modellare i nostri skyrmion. Con questo approccio, possiamo iniziare a comprendere veramente questi oggetti e realizzare il loro potenziale scientifico”.



Per creare il loro modello, la dott.ssa Danica Sugic e il professor Dennis, nella Scuola di Fisica e Astronomia dell’Università, hanno utilizzato la descrizione standard della luce, la polarizzazione (direzione in cui viaggiano le onde luminose) e la fase (la posizione delle onde luminose).

Vibrazione in termini di sfera nello spazio quadridimensionale, cruciale per la visione originale di Skyrme. Ciò ha quindi permesso al campo Skyrmion di essere progettato e ingegnerizzato in un raggio di luce laser in un esperimento condotto dalla professoressa Cornelia Denz, dell’università di Münster. Il team ha utilizzato misurazioni all’avanguardia per determinare la struttura precisa dello skyrmion.

“Questi oggetti sono in realtà piuttosto intricati, da un punto di vista geometrico”, ha affermato la dott.ssa Sugic. “Assomigliano a un complesso sistema di anelli interconnessi che formano una struttura simile a una particella. Ciò che è particolarmente interessante sono le proprietà topologiche dello skyrmion : possono essere distorti, allungati o schiacciati, ma non si sfaldano. Questa robustezza è una delle proprietà che gli scienziati sono più interessati a sfruttare.”

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