Magnetiske hvirvler kommer fuld cirkel

Magneter rummer ofte skjult skønhed. Tag en simpel køleskabsmagnet:Lidt kontraintuitivt, den er 'klæbende' på den ene side, men ikke på den anden side. Hemmeligheden ligger i den måde, magnetiseringen er arrangeret i et veldefineret mønster i materialet. Mere indviklede magnetiseringsteksturer er kernen i mange moderne teknologier, såsom harddiske. Nu, et internationalt hold af videnskabsmænd ved Paul Scherrer Institute PSI, ETH Zürich, University of Cambridge, Donetsk Institute for Physics and Engineering og Institute for Numerical Mathematics RAS i Moskva rapporterer opdagelsen af ​​uventede magnetiske strukturer inde i en lille søjle lavet af det magnetiske materiale gadoliniumkobolt. Som de skriver i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturfysik , forskerne observerede sub-mikrometer sløjfeformede konfigurationer, som de identificerede som magnetiske vortexringe. Langt ud over deres æstetiske appel, disse teksturer kan vise vejen til yderligere komplekse tredimensionelle strukturer, der opstår i hovedparten af ​​magneter, og kunne en dag danne grundlag for nye teknologiske anvendelser.

Hypnotiserende indsigt

At bestemme magnetiseringsarrangementet i en magnet er ekstraordinært udfordrende, især for strukturer på mikro- og nanoskala, for hvilke undersøgelser typisk har været begrænset til at se på et lavt lag lige under overfladen. Det ændrede sig i 2017, da forskere ved PSI og ETH Zürich introducerede en ny røntgenmetode til nanotomografi af bulkmagneter, hvilket de demonstrerede i forsøg ved den schweiziske lyskilde SLS. Det fremskridt åbnede et unikt vindue ind i magneternes indre liv, tilvejebringelse af et værktøj til at bestemme tredimensionelle magnetiske konfigurationer på nanoskala inden for prøver på mikrometerstørrelse.

Ved at bruge disse muligheder, medlemmer af det oprindelige hold, sammen med internationale samarbejdspartnere, begav sig nu ind på nyt territorium. De forbløffende sløjfeformer, de observerede, dukker op i de samme gadolinium-koboltmikrosøjler, som de før havde opdaget komplekse magnetiske konfigurationer bestående af hvirvler - den slags strukturer, der ses, når vandet spiraler ned fra en vask - og deres topologiske modstykker, antivortices. Det var den første, men tilstedeværelsen af ​​disse teksturer har ikke været overraskende i sig selv. Uventet, imidlertid, forskerne fandt også sløjfer, der består af par af hvirvler og modhvirvler. Den observation viste sig i første omgang at være gådefuld. Med implementeringen af ​​nye sofistikerede dataanalyseteknikker fastslog de til sidst, at disse strukturer er såkaldte vortexringe - i det væsentlige, doughnut-formede hvirvler.

Et nyt twist på en gammel historie

Vortex-ringe er velkendte for alle, der har set røgringe blive blæst, eller som så delfiner producere løkkeformede luftbobler, for deres egen morskab lige så meget som for deres publikum. De nyopdagede magnetiske hvirvelringe er fængslende i deres egen ret. Ikke alene bekræfter deres observation forudsigelser lavet for omkring to årtier siden, afgøre spørgsmålet om, hvorvidt sådanne strukturer kan eksistere. De bød også på overraskelser. I særdeleshed, magnetiske vortexringe er blevet forudsagt at være et forbigående fænomen, men i de nu rapporterede forsøg, disse strukturer viste sig at være bemærkelsesværdigt stabile.

Stabiliteten af ​​magnetiske hvirvelringe bør have vigtige praktiske implikationer. For en, de kunne potentielt bevæge sig gennem magnetiske materialer, som røgringe bevæger sig stabilt gennem luften, eller luftbobleringe gennem vand. At lære at kontrollere ringene inden for magnetens volumen kan åbne interessante muligheder for energieffektiv 3D-datalagring og -behandling. Der er interesse for fysikken i disse nye strukturer, også, da magnetiske hvirvelringe kan antage former, der ikke er mulige for deres røg- og boble-modstykker. Holdet har allerede observeret nogle unikke konfigurationer, og fremad, deres videre udforskning lover at bringe endnu mere magnetisk skønhed frem i lyset.