Anillos de vórtice reconstruidos dentro de un micropilar magnético. Crédito: Claire Donnelly
La primera observación experimental de ‘anillos de vórtice’ magnéticos tridimensionales proporciona una visión fundamental de las intrincadas estructuras a nanoescala dentro de los imanes a granel y ofrece nuevas perspectivas para los dispositivos magnéticos.
Los imanes a menudo albergan una belleza oculta. Tome un simple imán de nevera: algo contradictorio, es “pegajoso” de un lado pero no del otro. El secreto radica en la forma en que la magnetización está dispuesta en un patrón bien definido dentro del material. Las texturas de magnetización más intrincadas están en el corazón de muchas tecnologías modernas, como las unidades de disco duro. Ahora, un equipo internacional de científicos del Instituto Paul Scherrer PSI, ETH Zurich, la Universidad de Cambridge, el Instituto Donetsk de Física e Ingeniería y el Instituto de Matemáticas Numéricas RAS en Moscú informan sobre el descubrimiento de estructuras magnéticas inesperadas dentro de un pequeño pilar hecho del material magnético gadolinio cobalto.
Como escriben en un artículo publicado el 30 de noviembre de 2020, en la revista Física de la naturaleza,[1] los investigadores observaron configuraciones submicrométricas en forma de bucle, que identificaron como anillos de vórtice magnéticos. Más allá de su atractivo estético, estas texturas podrían señalar el camino hacia estructuras tridimensionales más complejas que surgen en la mayor parte de los imanes, y podrían algún día formar la base para nuevas aplicaciones tecnológicas.
Perspectivas fascinantes
Determinar la disposición de magnetización dentro de un imán es extraordinariamente desafiante, en particular para estructuras a micro y nanoescala, para las cuales los estudios se han limitado típicamente a observar una capa poco profunda justo debajo de la superficie. Eso cambió en 2017 cuando investigadores de PSI y ETH Zurich introdujeron un nuevo método de rayos X para la nanotomografía de imanes a granel, que demostraron en experimentos en Swiss Light Source. SLS.[2] Ese avance abrió una ventana única a la vida interna de los imanes, proporcionando una herramienta para determinar configuraciones magnéticas tridimensionales a nanoescala dentro de muestras del tamaño de un micrómetro.
Anillos de vórtice reconstruidos dentro de un micropilar magnético. Crédito: Claire Donnelly
Utilizando estas capacidades, los miembros del equipo original, junto con colaboradores internacionales, ahora se aventuraron en un nuevo territorio. Las impresionantes formas de bucle que observaron aparecen en las mismas muestras de micropilares de cobalto y gadolinio en las que habían detectado antes configuraciones magnéticas complejas que consisten en vórtices, el tipo de estructuras que se ven cuando el agua cae en espiral desde un sumidero, y sus contrapartes topológicas, los antívoros. Esa fue la primera vez, pero la presencia de estas texturas no ha sido sorprendente en sí misma. Sin embargo, inesperadamente, los científicos también encontraron bucles que consisten en pares de vórtices y antivortices. Esa observación resultó ser desconcertante inicialmente. Con la implementación de técnicas novedosas y sofisticadas de análisis de datos, finalmente establecieron que estas estructuras son los llamados anillos de vórtice, en esencia, vórtices en forma de rosquilla.
Un nuevo giro en una vieja historia
Los anillos de vórtice son familiares para todos los que han visto cómo se soplan anillos de humo, o que vieron a los delfines producir burbujas de aire en forma de bucle, tanto para su propia diversión como para la de su audiencia. Los anillos de vórtice magnéticos recién descubiertos son cautivadores por derecho propio. Su observación no solo verifica las predicciones hechas hace unas dos décadas, resolviendo la cuestión de si tales estructuras pueden existir. También ofrecieron sorpresas. En particular, se ha predicho que los anillos de vórtice magnéticos son un fenómeno transitorio, pero en los experimentos que ahora se informan, estas estructuras resultaron ser notablemente estables.
La estabilidad de los anillos de vórtice magnéticos debería tener importantes implicaciones prácticas. Por un lado, podrían moverse potencialmente a través de materiales magnéticos, ya que los anillos de humo se mueven de manera estable a través del aire o los anillos de burbujas de aire a través del agua. Aprender a controlar los anillos dentro del volumen del imán puede abrir perspectivas interesantes para el almacenamiento y procesamiento de datos 3D energéticamente eficientes. También hay interés en la física de estas nuevas estructuras, ya que los anillos de vórtice magnéticos pueden tomar formas que no son posibles para sus contrapartes de humo y burbujas. El equipo ya ha observado algunas configuraciones únicas y, en el futuro, su exploración adicional promete sacar a la luz una belleza aún más magnética.
Referencias:
- “Observación experimental de anillos de vórtice en un imán a granel” por Claire Donnelly, Konstantin L. Metlov, Valerio Scagnoli, Manuel Guizar-Sicairos, Mirko Holler, Nicholas S. Bingham, Jörg Raabe, Laura J. Heyderman, Nigel R. Cooper y Sebastian Gliga, 30 de noviembre de 2020, Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01057-3 - “Estructuras de magnetización tridimensional reveladas con nanotomografía vectorial de rayos X” por Claire Donnelly, Manuel Guizar-Sicairos, Valerio Scagnoli, Sebastian Gliga, Mirko Holler, Jörg Raabe y Laura J. Heyderman, 20 de julio de 2017, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / nature23006
