Скрытая красота: первое экспериментальное наблюдение трехмерных магнитных "вихревых колец"

Магниты скрывают в себе невероятную красоту. Возьмем простой магнит на холодильник: как ни странно, он липкий с одной стороны, но не с другой. Секрет заключается в том, как намагничивание организовано в материале в виде четко определенного рисунка. Более сложные текстуры намагничивания лежат в основе многих современных технологий, таких как жесткие диски. Теперь международная группа ученых из Института Пауля Шеррера PSI, ETH Zurich, Кембриджского университета, Донецкого физико-технического института и Института вычислительной математики РАН в Москве сообщает об обнаружении неожиданных магнитных структур внутри крошечной колонны, сделанной из магнитного материала гадолиния кобальта.

Как они пишут в статье, опубликованной Nature Physics, исследователи наблюдали суб-микрометра в виде петли конфигураций, которые они идентифицированы как магнитные вихревые кольца. Эти текстуры, выходящие далеко за рамки их эстетической привлекательности, могут указать путь к дальнейшим сложным трехмерным структурам, возникающим в объеме магнитов, и в один прекрасный день могут стать основой для новых технологических открытий.

Завораживающие идеи

Определение схемы намагничивания внутри магнита является чрезвычайно сложной задачей, особенно для структур на микро- и наномасштабе, исследования которых обычно ограничиваются рассмотрением неглубокого слоя непосредственно под поверхностью. Ситуация изменилась в 2017 году, когда исследователи из PSI и ETH Zurich представили новый рентгеновский метод для нанотомографии объемных магнитов, который они продемонстрировали в экспериментах на Swiss Light Source SLS . Этот прогресс открыл уникальное окно во внутреннюю жизнь магнитов, предоставив инструмент для определения трехмерных магнитных конфигураций в наномасштабе в образцах микрометрового размера. Используя эти возможности, члены первоначальной команды вместе с международными сотрудниками теперь отважились на исследование новой территории. Замечательные формы петель, которые они наблюдали, проявляются в тех же образцах микростолбиков гадолиния и кобальта, в которых они ранее обнаружили сложные магнитные конфигурации, состоящие из вихрей — типа структур, наблюдаемых при спуске воды по спирали из раковины — и их топологических аналогов, антивихрей. Это было впервые, но присутствие этих текстур само по себе не удивительно. Однако неожиданно ученые обнаружили петли, состоящие из пар вихрей и антивихрей. Это наблюдение поначалу показалось загадочным. С внедрением новых сложных методов анализа данных они в конечном итоге установили, что эти структуры представляют собой так называемые вихревые кольца.

Новый поворот в старой истории

Вихревые кольца знакомы каждому, кто видел, как надуваются дымовые кольца, или кто наблюдал, как дельфины производят петлеобразные воздушные пузыри, как для собственного развлечения, так и для развлечения своей аудитории. Недавно открытые магнитные вихревые кольца привлекают внимание сами по себе. Их наблюдение не только подтверждает предсказания, сделанные около двух десятилетий назад, решая вопрос, могут ли такие структуры существовать. Они тоже преподнесли сюрпризы. В частности, предсказывалось, что магнитные вихревые кольца являются временным явлением, но в экспериментах, о которых сейчас сообщается, эти структуры оказались удивительно стабильными.

Устойчивость магнитных вихревых колец должна иметь важное практическое значение. Во-первых, они потенциально могут перемещаться через магнитные материалы, поскольку кольца дыма стабильно движутся через воздух или кольца из пузырьков воздуха через воду. Изучение того, как управлять кольцами в объеме магнита, может открыть интересные перспективы для энергоэффективного хранения и обработки трехмерных данных. Также есть интерес к физике этих новых структур, поскольку магнитные вихревые кольца могут принимать формы, невозможные для их аналогов из дыма и пузырей. Команда уже наблюдала некоторые уникальные конфигурации, и в будущем их дальнейшие исследования обещают выявить еще более притягательную красоту.