Magnetische wervelingen maken de cirkel rond

Magneten herbergen vaak verborgen schoonheid. Neem een ​​eenvoudige koelkastmagneet: enigszins contra-intuïtief, hij is aan de ene kant ‘plakkerig’, 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 magnetisatiestructuren vormen de kern van veel moderne technologieën, zoals harde schijven. Nu rapporteert een internationaal team van wetenschappers van het Paul Scherrer Institute PSI, ETH Zurich, de University of Cambridge, het Donetsk Institute for Physics and Engineering en het Institute for Numerical Mathematics RAS in Moskou 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, observeerden de onderzoekers lusvormige configuraties van sub-micrometer, die ze identificeerden als magnetische vortexringen. Deze texturen, die veel verder gaan dan hun esthetische aantrekkingskracht, zouden de weg kunnen wijzen naar verdere complexe driedimensionale structuren die ontstaan ​​in de massa van magneten, en zouden ooit de basis kunnen vormen voor nieuwe technologische toepassingen.

Betoverende inzichten

Het bepalen van de magnetiseringsopstelling binnen een magneet is buitengewoon uitdagend, met name voor structuren op micro- en nanoschaal, waarvoor studies doorgaans 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 lieten zien in experimenten bij de Swiss Light Source SLS. Die vooruitgang opende een uniek venster op het innerlijke leven van magneten en bood een hulpmiddel voor het bepalen van driedimensionale magnetische configuraties op nanoschaal in monsters van micrometer-formaat.

Gebruikmakend van deze capaciteiten, waagden leden van het oorspronkelijke team, samen met internationale medewerkers, zich nu op nieuw terrein. De verbluffende lusvormen die ze waarnamen, verschijnen in dezelfde gadoliniumkobalt-micropillaire monsters waarin ze eerder complexe magnetische configuraties hadden ontdekt die bestaan ​​uit wervelingen – het soort structuren dat wordt waargenomen wanneer water uit een gootsteen naar beneden spiraalt – en hun topologische tegenhangers, antivortices. Dat was een primeur, maar de aanwezigheid van deze texturen was op zich niet verrassend. Onverwacht vonden de wetenschappers echter ook lussen die bestaan ​​uit paren wervelingen en antivortices. Die observatie bleek aanvankelijk raadselachtig te zijn. Met de implementatie van nieuwe geavanceerde data-analysetechnieken kwamen ze er uiteindelijk achter dat deze structuren zogenaamde vortexringen zijn – in wezen ringvormige wervelingen.

Een nieuwe draai aan een oud verhaal

Vortexringen zijn bekend bij iedereen die rookkringen heeft zien wegblazen, of die dolfijnen lusvormige luchtbellen heeft zien produceren, zowel voor hun eigen vermaak als voor dat van hun publiek. De nieuw ontdekte magnetische vortexringen zijn op zichzelf al fascinerend. Hun waarneming bevestigt niet alleen de voorspellingen die zo’n twintig jaar geleden zijn gedaan, waardoor de vraag wordt opgelost of dergelijke structuren kunnen bestaan. Ze boden ook verrassingen. In het bijzonder wordt voorspeld dat magnetische vortexringen een tijdelijk fenomeen zijn, maar in de nu gerapporteerde experimenten bleken deze structuren opmerkelijk stabiel te zijn.

De stabiliteit van magnetische vortexringen zou belangrijke praktische implicaties moeten hebben. Ten eerste zouden ze mogelijk door magnetische materialen kunnen bewegen, omdat rookringen stabiel door lucht bewegen, of luchtbellenringen 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 ook interesse in de fysica van deze nieuwe structuren, aangezien magnetische vortexringen vormen kunnen aannemen die niet mogelijk zijn voor hun tegenhangers met rook en bellen. Het team heeft al enkele unieke configuraties waargenomen, en in de toekomst belooft hun verdere verkenning nog meer magnetische schoonheid aan het licht te brengen.