Magneter hyser ofta dold skönhet. Ta en enkel kylskåpsmagnet:något kontraintuitivt, den är "klibbig" på ena sidan men inte på den andra. Hemligheten ligger i hur magnetiseringen är ordnad i ett väldefinierat mönster i materialet. Mer invecklade magnetiseringstexturer är kärnan i många moderna teknologier, såsom hårddiskar. Nu, ett internationellt team av forskare vid Paul Scherrer Institute PSI, ETH Zürich, University of Cambridge, Donetsk Institute for Physics and Engineering och Institute for Numerical Mathematics RAS i Moskva rapporterar upptäckten av oväntade magnetiska strukturer inuti en liten pelare gjord av det magnetiska materialet gadoliniumkobolt. Som de skriver i en tidning som publicerades i dag i tidskriften Naturfysik , forskarna observerade sub-mikrometer loop-formade konfigurationer, som de identifierade som magnetiska virvelringar. Långt bortom deras estetiska tilltal, dessa texturer kan visa vägen till ytterligare komplexa tredimensionella strukturer som uppstår i huvuddelen av magneter, och kan en dag utgöra grunden för nya tekniska tillämpningar.

fascinerande insikter

Att bestämma magnetiseringsarrangemanget i en magnet är utomordentligt utmanande, särskilt för strukturer på mikro- och nanoskala, för vilka studier vanligtvis har begränsats till att titta på ett grunt lager strax under ytan. Det förändrades 2017 när forskare vid PSI och ETH Zürich introducerade en ny röntgenmetod för nanotomografi av bulkmagneter, vilket de demonstrerade i experiment vid Swiss Light Source SLS. Detta framsteg öppnade ett unikt fönster in i magneternas inre liv, tillhandahålla ett verktyg för att bestämma tredimensionella magnetiska konfigurationer på nanoskala inom mikrometerstora prover.

Genom att använda dessa funktioner, medlemmar av det ursprungliga laget, tillsammans med internationella samarbetspartners, nu vågat sig in på nytt territorium. De häpnadsväckande slingformerna de observerade förekommer i samma gadoliniumkoboltmikropelarprover som de tidigare hade upptäckt komplexa magnetiska konfigurationer bestående av virvlar - den sortens strukturer som ses när vatten spiralerar ner från ett handfat - och deras topologiska motsvarigheter, motvirvlingar. Det var en första, men förekomsten av dessa texturer har inte varit förvånande i sig. Oväntat, dock, forskarna hittade också slingor som består av par av virvlar och motvirvlar. Den observationen visade sig vara förbryllande till en början. Med implementeringen av nya sofistikerade dataanalystekniker fastställde de så småningom att dessa strukturer är så kallade virvelringar – i huvudsak, munkformade virvlar.

En ny vändning på en gammal historia

Vortexringar är bekanta för alla som har sett rökringar blåsa, eller som tittade på delfiner som producerade slingformade luftbubblor, för sin egen nöje lika mycket som för sin publik. De nyupptäckta magnetiska virvelringarna är fängslande i sin egen rätt. Deras observation verifierar inte bara förutsägelser som gjordes för cirka två decennier sedan, avgöra frågan om sådana strukturer kan existera. De bjöd också på överraskningar. Särskilt, magnetiska virvelringar har förutspåtts vara ett övergående fenomen, men i de experiment som nu rapporteras, dessa strukturer visade sig vara anmärkningsvärt stabila.

Stabiliteten hos magnetiska virvelringar bör ha viktiga praktiska konsekvenser. För en, de kan potentiellt röra sig genom magnetiska material, när rökringar rör sig stabilt genom luften, eller luftbubblor ringar genom vatten. Att lära sig hur man kontrollerar ringarna inom magnetens volym kan öppna intressanta möjligheter för energieffektiv 3D-datalagring och bearbetning. Det finns intresse för fysiken i dessa nya strukturer, för, eftersom magnetiska virvelringar kan ta former som inte är möjliga för deras rök- och bubblamotsvarigheter. Teamet har redan observerat några unika konfigurationer, och framåt, deras fortsatta utforskning lovar att ta fram ännu mer magnetisk skönhet.