Міжнародній команді вчених вдалося зафіксувати утворення вихрового кільця - форми, схожої на бублик, всередині феромагнетика, лінії індукції якого замикалися за допомогою об’єднання парами вихорів та антивихорів. Їм вдалося не лише візуалізувати отримані дані, а і довести, що подібний процес може бути постійним та не залежати від попередньої підготовки зразків. Своє відкриття фізики планують використати у сфері зберігання і обробки тривимірних даних та нейроморфних обчислень, повідомляється у статті, опублікованій у журналі Nature Physics.
Магнітний стан вихрової петлі з точками Блоха, де завихрення вздовж вихрового центру змінюється між зрізами b і c, а завихрення вздовж центрів антивихорів змінюється між зрізами c, d і f / Nature Physics, 2020
Чому вихори не об’єднувалися раніше?
Уявіть собі вихрове кільце: наприклад, кільце цигаркового диму або бульбашки під водою, що мають форму бублика. Це тороїдальний вихор, який утворюється, в тій області де речовина закручується довкола деякої осьової лінії, яка утворює замкнуте кільце. Такі структури доволі стабільні і зустрічаються не лише у турбулентних газах чи рідинах, а і в електромагнітних розрядах чи плазмі. І так само вчені теоретично припускали можливість утворення таких кілець і у магнітах, зокрема феромагнетиках. Вони були б зумовлені розташуванням індукційних ліній, які б відповідно до вектора намагніченості, замикалися, утворюючи пари вихор-антивихор.
У своїй роботі фізики дослідили гадоліній кобальту та встановили, що подібні кільця можуть не лише утворюватися у феромагнетиках, а і залишатися стабільною структурою, утворюючи замкнені вихрові петлі. Пари вихорів та антивихорів утворюють їх майже так само, як це відбувається у рідинах, однак, вони не компенсують одне одного, а зберігають форму завдяки дипольній взаємодії та точкам Блоха, де намагніченість у центрах вихорів міняється на протилежну.
Як фізики змусили вихори об’єднатися?
Вчені приклали до гадолінію кобальту зовнішнє магнітне поле у сім тесла за кімнатної температури та отримали зображення кількох замкнених петель з допомогою рентгенівської магнітної наномотографії. Причому наявність цих структур не була зумовлена попередньою підготовкою, що свідчить про те, що вони виникають самостійно та спонтанно. Також, у другій частині експерименту дослідники нагріли зразок до 400 кельвінів та охолоджували до кімнатної температури, подібно до того, як відпалюють сталь. Це зменшило кількість точок Блоха, через які кількість вихорів збільшувалася, майже вдвічі - зі 110 до 52 точок.
Навіщо вченим магнітні вихрові кільця?
На відміну від інших способів запису інформації, які потребують електронного перенесення, обробка і збудження магнітних вихорів вимагає менших витрат енергії та часу, що робить пристрої на їх основі більш ефективними й економічними. Дослідники очікують, що виявлені ними структури будуть так само динамічні як і, наприклад бульбашки з води, і зможуть переміщуватися всередині структури магніту, змінюючи його характеристики намагнічення. Водночас вивчення того, як управляти цими кільцями в обсязі магніту, може відкрити цікаві перспективи для енергоефективного зберігання і обробки тривимірних даних та нейроморфних обчислень.