Un tourbillon dans un disque magnétique se comporte généralement comme une grande toupie : pour qu'il ne bascule pas, il faut une plateforme spacieuse et un fort champ propre qui le ramène au centre. Mais que se passe-t-il si l'on réduit la plateforme à la taille d'un virus ? L'appui habituel disparaît et le tourbillon devrait se désagréger. Dans ce nouveau travail, un autre appui est proposé : la fine frontière entre un aimant et un métal lourd agit comme un ressort qui maintient le tourbillon en place, même dans un disque de rayon inférieur à cinq nanomètres.
Pour tester cette idée, les scientifiques ont construit un modèle de disque de rayon 4,8 nm et d'épaisseur 0,4 nm. C'est plus petit qu'un ribosome. Ils ont pris en compte l'interaction d'échange, l'anisotropie, l'iDMI et le champ démagnétisant. Ils ont dérivé analytiquement un potentiel dans lequel le tourbillon oscille comme une bille dans un puits aux parois très raides. Il s'avère que le puits est fortement anharmonique : le ressort n'est pas linéaire mais possède un terme cubique. Par conséquent, la fréquence d'oscillation dépend de l'amplitude, comme pour un pendule qui se balance de plus en plus fort.
Auparavant, on pensait qu'un tourbillon magnétique nécessitait un disque micrométrique et un fort champ démagnétisant. Maintenant, on montre que l'iDMI local remplace la magnétostatique. Un champ externe de ±120 mT déplace la fréquence de résonance selon la polarité du tourbillon, comme si le tourbillon ressentait la direction du champ. Cela ouvre la voie à des oscillateurs spintroniques nanométriques et à des éléments de mémoire.
Le tourbillon nain dans une cage de métal lourd pourrait devenir la base de dispositifs quantiques. À ces dimensions, les fluctuations thermiques et quantiques sont comparables. Un tunnel de l'hélicité est possible, où le tourbillon traverse la barrière d'énergie comme un électron traverse une fine couche isolante. Si cela réussit, les tourbillons pourraient fonctionner comme qubits. Mais pour l'instant, c'est une perspective ; aujourd'hui, le modèle aide déjà à concevoir des nano-oscillateurs et des mémoires.
Le rayon du vortex de 4,8 nm est comparable au diamètre de la double hélice d'ADN (2 nm). Le vortex est plus petit qu'un ribosome et 200 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.
Dans le roman de Greg Egan « L'Échelle de Schild », les états quantiques sont utilisés comme éléments de calcul. Un nanovortex avec une hélicité tunnel pourrait être une réalisation physique d'un tel qubit.