I magneti spesso nascondono una bellezza nascosta. Prendi un semplice magnete da frigo:in modo un po' controintuitivo, è "appiccicoso" da un lato ma non dall'altro. Il segreto sta nel modo in cui la magnetizzazione è disposta secondo uno schema ben definito all'interno del materiale. Trame di magnetizzazione più complesse sono al centro di molte tecnologie moderne, come le unità disco rigido. Ora, un team internazionale di scienziati del Paul Scherrer Institute PSI, Politecnico di Zurigo, l'Università di Cambridge, l'Istituto di Fisica e Ingegneria di Donetsk e l'Istituto di Matematica Numerica RAS di Mosca riportano la scoperta di inaspettate strutture magnetiche all'interno di un minuscolo pilastro realizzato con il materiale magnetico gadolinio cobalto. Come scrivono in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Fisica della natura , i ricercatori hanno osservato configurazioni a forma di anello submicrometrico, che hanno identificato come anelli di vortice magnetico. Ben oltre il loro fascino estetico, queste trame potrebbero indicare la strada per ulteriori complesse strutture tridimensionali che sorgono nella maggior parte dei magneti, e potrebbe un giorno costituire la base per nuove applicazioni tecnologiche.

Intuizioni affascinanti

Determinare la disposizione di magnetizzazione all'interno di un magnete è straordinariamente impegnativo, in particolare per le strutture a micro e nanoscala, per cui gli studi sono stati tipicamente limitati a guardare uno strato poco profondo appena sotto la superficie. La situazione è cambiata nel 2017 quando i ricercatori del PSI e dell'ETH di Zurigo hanno introdotto un nuovo metodo a raggi X per la nanotomografia di magneti sfusi, che hanno dimostrato in esperimenti presso la Swiss Light Source SLS. Quel progresso ha aperto una finestra unica sulla vita interiore dei magneti, fornendo uno strumento per determinare le configurazioni magnetiche tridimensionali su scala nanometrica all'interno di campioni di dimensioni micrometriche.

Utilizzando queste capacità, membri della squadra originale, insieme a collaboratori internazionali, ora si è avventurato in un nuovo territorio. Le straordinarie forme ad anello che hanno osservato appaiono negli stessi campioni di micropilastri di gadolinio cobalto in cui avevano precedentemente rilevato complesse configurazioni magnetiche costituite da vortici - il tipo di strutture viste quando l'acqua scende a spirale da un lavandino - e le loro controparti topologiche, antivortici. Questo è stato il primo, ma la presenza di queste trame non è stata di per sé sorprendente. inaspettatamente, però, gli scienziati hanno anche trovato anelli costituiti da coppie di vortici e antivortici. Questa osservazione si è rivelata inizialmente sconcertante. Con l'implementazione di nuove e sofisticate tecniche di analisi dei dati, alla fine hanno stabilito che queste strutture sono i cosiddetti anelli di vortice, in sostanza, vortici a forma di ciambella.

Una nuova svolta su una vecchia storia

Gli anelli di vortice sono familiari a tutti coloro che hanno visto gli anelli di fumo soffiare, o che guardavano i delfini produrre bolle d'aria a forma di anello, per il loro divertimento quanto per quello del loro pubblico. Gli anelli magnetici a vortice appena scoperti sono affascinanti di per sé. La loro osservazione non solo verifica le previsioni fatte circa due decenni fa, risolvere la questione se tali strutture possano esistere. Hanno anche offerto sorprese. In particolare, si prevede che gli anelli di vortice magnetici siano un fenomeno transitorio, ma negli esperimenti ora riportati, queste strutture si sono rivelate notevolmente stabili.

La stabilità degli anelli di vortice magnetico dovrebbe avere importanti implicazioni pratiche. Per uno, potrebbero potenzialmente muoversi attraverso materiali magnetici, mentre gli anelli di fumo si muovono stabilmente attraverso l'aria, o anelli di bolle d'aria attraverso l'acqua. Imparare a controllare gli anelli all'interno del volume del magnete può aprire interessanti prospettive per l'archiviazione e l'elaborazione di dati 3D ad alta efficienza energetica. C'è interesse per la fisica di queste nuove strutture, pure, poiché gli anelli di vortice magnetici possono assumere forme non possibili per le loro controparti di fumo e bolle. Il team ha già osservato alcune configurazioni uniche, e andando avanti, la loro ulteriore esplorazione promette di portare alla luce una bellezza ancora più magnetica.