Физики впервые наблюдают «вихревые кольца» в магнитном материале

Ученые обнаружили вихревые кольца внутри крошечной колонны, сделанной из магнитного материала, интерметаллического соединения гадолиния-кобальта GdCo2.

Если вы видели кольца дыма или пузырьковые кольца под водой, вы видели вихревые кольца: вихри в форме пончика, которые образуются, когда жидкость течет обратно после вытеснения через отверстие.

Новое открытие — это первый случай, когда вихревые кольца были идентифицированы в магнитном материале, что подтверждает предсказание, сделанное несколько десятилетий назад, и может помочь ученым идентифицировать еще более сложные магнитные структуры, которые можно использовать для разработки новых технологий.

Магнитные кольцевые вихри были предсказаны более 20 лет назад в 1998 году, когда физик Найджел Купер из Кембриджского университета продемонстрировал, что магнитные вихри аналогичны вихревым кольцам, наблюдаемым в гидродинамике. На самом деле найти их было намного труднее.

Фактически, только в 2017 году была разработана технология изображения намагниченности материала за пределами поверхностного слоя. Исследователи из Института Пауля Шеррера и ETH Zurich разработали метод рентгеновской нанотомографии для изображения трехмерной структуры намагниченности внутри объемного магнита GdCo2.

Во время этих экспериментов исследователи во главе с физиком Клэр Доннелли из ETH Zurich обнаружили вихри, подобные тем, которые появляются, когда вы вытаскиваете пробку из раковины, полной воды. Эти вихри были спарены со своими топологическими аналогами, антивихрями.

В тех же крошечных столбах GdCo2 исследователи также обнаружили замкнутые магнитные петли, присутствующие и в парах вихрь-антивихрь. Только после компьютерного анализа этих структур в контексте магнитной завихренности команда выяснила, что это кольцевые вихри в форме пончика, пересекаемые сингулярностями намагниченности — точкой, где намагниченность исчезает, — которые отражают инверсию поляризации вихря и антивихря.

Но, что удивительно, они ведут себя не так, как предполагалось. Жидкие кольцевые вихри всегда находятся в движении и недолговечны, поэтому ожидалось, что магнитные кольцевые вихри будут вести себя таким же образом, катясь через магнитный материал, прежде чем рассеяться.

Вместо этого вихри оставались неподвижными в статической конфигурации и исчезали только после того, как GdCo2 был нагрет и подвергнут воздействию сильного магнитного поля.

«Одна из главных загадок заключалась в том, почему эти структуры столь неожиданно устойчивы — как кольца дыма, они должны существовать только как движущиеся объекты», — сказал Доннелли, работающий в Кембриджском университете.

«Путем сочетания аналитических расчетов и рассмотрения данных мы определили, что их устойчивость лежит в магнитостатическом взаимодействии».

Другими словами, вихри взаимодействуют с окружающими их структурами намагничивания, которые удерживают кольца на месте, что приводит к стабилизации. Изучение того, как они образуются и остаются стабильными, может помочь физикам научиться управлять магнитными вихревыми кольцами, что, в свою очередь, может помочь в разработке более совершенных технологий, таких как хранение данных и нейроморфная инженерия.

«Вычисление и визуализация магнитной завихренности и предварительных изображений оказались важными инструментами для характеристики наблюдаемых трехмерных структур», — написали исследователи в своей статье.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Источники: Фото: Магнитные вихревые кольца. (Клэр Доннелли)