Magneten herbergen vaak verborgen schoonheid. Neem een ​​eenvoudige koelkastmagneet:enigszins contra-intuïtief, het is 'plakkerig' aan de ene kant, maar niet aan de andere kant. Het geheim zit hem in de manier waarop de magnetisatie in een goed gedefinieerd patroon in het materiaal is gerangschikt. Meer ingewikkelde magnetisatietexturen vormen de kern van veel moderne technologieën, zoals harde schijven. Nutsvoorzieningen, een internationaal team van wetenschappers van het Paul Scherrer Institute PSI, ETH Zürich, de Universiteit van Cambridge, het Donetsk Institute for Physics and Engineering en het Institute for Numerical Mathematics RAS in Moskou melden de ontdekking van onverwachte magnetische structuren in een kleine pilaar gemaakt van het magnetische materiaal gadoliniumkobalt. Zoals ze schrijven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurfysica , de onderzoekers observeerden sub-micrometer lusvormige configuraties, die ze identificeerden als magnetische vortexringen. Veel verder dan hun esthetische aantrekkingskracht, deze texturen zouden de weg kunnen wijzen naar verdere complexe driedimensionale structuren die in het grootste deel van magneten ontstaan, en zou ooit de basis kunnen vormen voor nieuwe technologische toepassingen.

Betoverende inzichten

Het bepalen van de magnetisatie-opstelling binnen een magneet is buitengewoon uitdagend, in het bijzonder voor structuren op micro- en nanoschaal, waarvoor studies meestal beperkt zijn tot het kijken naar een ondiepe laag net onder het oppervlak. Dat veranderde in 2017 toen onderzoekers van PSI en ETH Zürich een nieuwe röntgenmethode introduceerden voor de nanotomografie van bulkmagneten, die ze demonstreerden in experimenten bij de Swiss Light Source SLS. Die vooruitgang opende een uniek venster in het innerlijke leven van magneten, het verstrekken van een hulpmiddel voor het bepalen van driedimensionale magnetische configuraties op nanoschaal binnen micrometer-sized monsters.

Door gebruik te maken van deze mogelijkheden, leden van het oorspronkelijke team, samen met internationale medewerkers, waagde zich nu op nieuw terrein. De verbluffende lusvormen die ze observeerden, verschijnen in dezelfde gadolinium-kobalt-micropillar-monsters waarin ze eerder complexe magnetische configuraties hadden ontdekt bestaande uit vortices - het soort structuren dat wordt waargenomen wanneer water uit een gootsteen naar beneden stroomt - en hun topologische tegenhangers, antivortices. Dat was een primeur, maar de aanwezigheid van deze texturen was op zich niet verrassend. Onverwacht, echter, de wetenschappers vonden ook lussen die bestaan ​​uit paren vortices en antivortices. Die observatie bleek aanvankelijk raadselachtig. Met de implementatie van nieuwe geavanceerde data-analysetechnieken hebben ze uiteindelijk vastgesteld dat deze structuren zogenaamde vortexringen zijn - in wezen, donutvormige draaikolken.

Een nieuwe draai aan een oud verhaal

Vortexringen zijn bekend bij iedereen die rookringen heeft zien opblazen, of die dolfijnen zag produceren die lusvormige luchtbellen produceerden, zowel voor hun eigen vermaak als voor dat van hun publiek. De nieuw ontdekte magnetische vortexringen zijn op zichzelf al boeiend. Hun observatie bevestigt niet alleen voorspellingen die zo'n twee decennia geleden zijn gedaan, het beantwoorden van de vraag of dergelijke structuren kunnen bestaan. Ze boden ook verrassingen aan. Vooral, Er is voorspeld dat magnetische vortexringen een voorbijgaand fenomeen zijn, maar in de nu gerapporteerde experimenten, deze structuren bleken opmerkelijk stabiel te zijn.

De stabiliteit van magnetische vortexringen zou belangrijke praktische implicaties moeten hebben. Voor een, ze kunnen mogelijk door magnetische materialen bewegen, terwijl rookringen stabiel door de lucht bewegen, of luchtbellen ringen door water. Leren hoe je de ringen binnen het volume van de magneet kunt besturen, kan interessante perspectieven openen voor energie-efficiënte 3D-gegevensopslag en -verwerking. Er is interesse in de fysica van deze nieuwe structuren, te, aangezien magnetische vortexringen vormen kunnen aannemen die niet mogelijk zijn voor hun rook- en bellentegenhangers. Het team heeft al enkele unieke configuraties waargenomen, en vooruitgaan, hun verdere verkenning belooft nog meer magnetische schoonheid aan het licht te brengen.