Los físicos observan por primera vez los trippy ‘anillos de vórtice’ en un material magnético

Dondequiera que tenga líquido, allí también puede encontrar anillos de vórtice.

Ahora, los científicos han encontrado anillos de vórtice en algún lugar fascinante: dentro de un pequeño pilar hecho de un material magnético, el gadolinio-cobalto compuesto intermetálico GdCo₂.

Si ha visto anillos de humo o anillos de burbujas bajo el agua, ha visto anillos de vórtice: vórtices en forma de rosquilla que se forman cuando el líquido fluye hacia atrás después de ser forzado a través de un agujero.

El nuevo descubrimiento es la primera vez que se identifican anillos de vórtice en un material magnético, lo que confirma una predicción de hace décadas, y podría ayudar a los científicos a identificar estructuras magnéticas aún más complejas que podrían aprovecharse para desarrollar nuevas tecnologías.

Los vórtices de anillos magnéticos se predijeron hace más de 20 años en 1998

, cuando el físico Nigel Cooper de la Universidad de Cambridge demostró que los vórtices magnéticos son análogos a los anillos de vórtices que se ven en la dinámica de fluidos. En realidad, encontrarlos, sin embargo, fue mucho más difícil de hacer.

De hecho, no fue hasta 2017 cuando se desarrolló la tecnología para obtener imágenes de magnetización dentro de un material más allá de la capa superficial. Investigadores del Instituto Paul Scherrer y ETH Zurich desarrollaron un Técnica de nanotomografía de rayos X para obtener imágenes de la estructura de magnetización tridimensional dentro de un GdCo₂ imán a granel.

Durante esos experimentos, los investigadores, dirigidos por la física Claire Donnelly de ETH Zurich, identificaron vórtices como los que aparecen cuando se saca el tapón de un fregadero lleno de agua. Estos vórtices se emparejaron con sus contrapartes topológicas, los antivortices.

En esos mismos pequeños GdCo₂ pilares, los investigadores también encontraron bucles magnéticos cerrados, presentes también en pares vórtice-antivortex. Fue solo después de analizar computacionalmente estas estructuras en el contexto de vorticidad que el equipo descubrió que se trataba de vórtices de anillo en forma de rosquilla, intersectados por singularidades de magnetización, un punto donde la magnetización desaparece, que reflejan la inversión de polarización del vórtice y el antivortex.

(Donnelly et al., Nature Physics, 2020)

Arriba: un par vórtice-antivortex. Los cuadros naranja y verde indican las regiones donde se invierte la polarización.

Pero, sorprendentemente, no se comportan exactamente como se predijo. Los vórtices de anillos fluidos siempre están en movimiento y no duran mucho, por lo que se esperaba que los vórtices de anillos magnéticos se comportaran de la misma manera, rodando a través del material magnético antes de disiparse.

En cambio, los vórtices se quedaron quietos en una configuración estática, solo desaparecieron después de que GdCo₂ estaba recocido – calentado y expuesto a un fuerte campo magnético, un proceso utilizado para reorientar la magnetización.

“Uno de los principales enigmas era por qué estas estructuras son tan inesperadamente estables, como anillos de humo, se supone que solo existen como objetos en movimiento”. Donnelly, ahora en la Universidad de Cambridge, dijo.

“Mediante una combinación de cálculos analíticos y consideraciones de los datos, determinamos que la raíz de su estabilidad es la interacción magnetostática”.

En otras palabras, los vórtices interactúan con las estructuras de magnetización que los rodean, que fijan los anillos en su lugar y dan como resultado la estabilización. Estudiar cómo se forman y permanecen estables podría ayudar a los físicos a aprender a controlar los anillos de vórtice magnéticos, lo que a su vez podría ayudar a desarrollar mejores tecnologías, como el almacenamiento de datos y ingeniería neuromórfica.

Pero los anillos de vórtice también podrían ayudarnos a comprender mejor la magnetización. El papel de las singularidades en los procesos de magnetización, por ejemplo, no se comprende bien. Y la observación de los anillos de vórtice sugiere que otras estructuras complejas podrían estudiarse con mayor detalle, como los solitones (ondas magnéticas).

“El cálculo y visualización de la vorticidad magnética y las preimágenes han demostrado ser herramientas esenciales en la caracterización de las estructuras tridimensionales observadas”, los investigadores escribieron en su artículo.

“La observación de anillos de vórtice magnéticos estables abre posibilidades para estudios adicionales de solitones tridimensionales complejos en imanes a granel, lo que permite el desarrollo de aplicaciones basadas en estructuras magnéticas tridimensionales”.

La investigación ha sido publicada en Física de la naturaleza.