Por primera vez: físicos observan «anillos de vórtice» en materiales magnéticos

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Por primera vez: físicos observan «anillos de vórtice» en materiales magnéticos

Un equipo internacional de científicos acaba de descubrir estructuras magnéticas inesperadas dentro de un pequeño volumen de imanes de gadolinio cobalto (GdCo2). Esta es la primera vez que se observa una estructura conocida como anillo de vórtice en un material magnético.

El estudio, liderado por Claire Donnelly del EHT Zurich, fue publicado en Nature Physics.

Vórtices magnéticos

Los vórtices de anillos magnéticos fueron predichos por el físico Nigel Cooper hace más de 20 años. Él demostró que los vórtices magnéticos son análogos a los anillos de vórtices vistos en la dinámica de fluidos. Sin embargo, encontrarlos experimentalmente era la parte difícil del trabajo.

Determinar la disposición de magnetización dentro de un imán es extraordinariamente desafiante, en particular para estructuras a micro y nanoescala. Por esta razón, las investigaciones se habían limitado a estudiar la solo la superficie de los materiales.

Esto cambió en 2017 cuando un equipo de investigadores introdujo una nueva técnica de nanotomografía de rayos X. Al usarla, el equipo pudo observar por primera vez qué sucedía dentro de un volumen de imanes (bulk magnets).

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. Con estas nuevas capacidades, el equipo experimentó con el imán gadolinio cobalto (GdCo2).

De esta manera, el equipo identificó vórtices como los que aparecen cuando se saca el tapón de un fregadero lleno de agua. Estos vórtices además se emparejaban con sus contrapartes topológicas: los antivórtices.

Aunque esta es la primera vez que se observa algo así, no fue lo más sorprendente. Los científicos también encontraron bucles que consisten en pares de vórtices y antivórtices. Esa observación resultó ser desconcertante al principio. Con la implementación de nuevas y sofisticadas técnicas de análisis de datos, establecieron que estas estructuras son lo que conocemos como anillos de vórtice.

Anillos de vórtice

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.

Anillos de vórtice en agua (Wikimedia Commons)

Los anillos de vórtice magnéticos recién descubiertos son especialmente cautivadores. Su observación no solo verifica en gran parte la predicción hecha hace dos décadas, sino que nos ofrece sorpresas.

En ese entonces, se dijo que estos anillos deberían ser fenómenos transitorios, pero los experimentos muestran que estas estructuras son notablemente estables.

Esta estabilidad nos abre las puertas para una variedad de aplicaciones. Aprender a controlar los anillos dentro del volumen del imán puede abrir perspectivas interesantes para el almacenamiento y procesamiento de datos 3-D 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 agua. El equipo ya ha observado algunas configuraciones únicas y, en el futuro, más estudios prometen darnos más información.

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