Onde quer que haja fluido, você também pode encontrar anéis de vórtice.

Agora, os cientistas encontraram anéis de vórtice fascinantes dentro de um pequeno pilar feito de um material magnético, gadolínio-cobalto formado intermetálico GdCo2.

Se você viu anéis de fumaça, ou anéis de bolha debaixo d’chuva, você viu anéis de vórtice: vórtices em forma de donut que se formam quando o fluido volta a se sobrepor posteriormente ser forçado a passar por um orifício.

A novidade invenção é a primeira vez que anéis de vórtice foram identificados em um material magnético, confirmando uma previsão de décadas, e pode ajudar os cientistas a identificar estruturas magnéticas ainda mais complexas que podem ser aproveitadas para desenvolver novas tecnologias.

Os vórtices dos anéis magnéticos foram previstos há mais de 20 anos em 1998, quando o físico Nigel Cooper, da Universidade de Cambridge, mostrou que os vórtices magnéticos são análogos aos anéis de vórtice vistos na dinâmica dos fluidos. Na verdade, encontrá-los foi muito mais difícil de fazer.

Na verdade, não foi até 2017 que a tecnologia foi desenvolvida para magnetizar a imagem dentro de um material além da classe superficial. Pesquisadores do Instituto Paul Scherrer e ETH Zurique desenvolveram um Técnica de nanotomografia de raios-x imaginar a estrutura de magnetização tridimensional dentro de um GdCo2 ímã em volume.

Durante esses experimentos, pesquisadores, liderados pela física Claire Donnelly da ETH Zurich, identificaram vórtices uma vez que aqueles que aparecem quando você remove a tampa de uma pia enxurro de chuva. Esses vórtices foram emparelhados com suas contrapartes topológicas, os antivortais.

Neste mesmo GdCo2 pilares, os pesquisadores também encontraram loops magnéticos fechados, também presentes em pares de vórtice-antivórtex. Foi só depois de computar essas estruturas no contexto do sistema magnético vorticidade que a equipe descobriu que eram donuts de vórtice em forma de aro, interceptados por singularidades de magnetização – um ponto em que a magnetização desaparece – que refletem a reversão da polarização do vórtice e do antivórtex.

(Donnelly et al., Nature Physics, 2020)

supra: um par vortex-antivortex. As caixas laranja e verdejante indicam as regiões onde a polarização é invertida.

Mas, surpreendentemente, eles não se comportam exatamente uma vez que esperado. Os vórtices de aro de fluido estão sempre em movimento e não duram muito, logo esperava-se que os vórtices de aro magnético se comportassem da mesma maneira, rolando através do material magnético antes de se dissipar.

Em vez disso, os vórtices permaneceram em uma modo estática, somente desaparecendo posteriormente o GdCo2 era recozido – aquecido e exposto a um poderoso campo magnético, um processo usado para reorientar a magnetização.

“Um dos principais quebra-cabeças era por que essas estruturas são tão inesperadamente estáveis: uma vez que anéis de fumaça, elas deveriam subsistir somente uma vez que objetos em movimento.” Donnelly, que agora está na Universidade de Cambridge, disse.

“Usando uma combinação de cálculos analíticos e considerações de dados, determinamos que a raiz de sua firmeza era a interação magnetostática.”

Em outras palavras, os vórtices interagem com as estruturas de magnetização que os rodeiam, fixando os anéis no lugar, resultando na estabilização. Estudar uma vez que eles se formam e permanecem estáveis ​​pode ajudar os físicos a aprender a controlar os anéis de vórtice magnéticos, que por sua vez, podem ajudar a desenvolver tecnologias melhores, uma vez que armazenamento de dados e engenharia neuromórfica.

Mas os anéis de vórtice também podem nos ajudar a entender melhor a magnetização. O papel das singularidades nos processos de magnetização, por exemplo, é pouco divulgado. E a reparo de anéis de vórtice sugere que outras estruturas complexas, uma vez que os solitons (ondas magnéticas), poderiam ser estudadas com mais detalhes.

“O cômputo e visualização da vorticidade magnética e pré-imagens provaram ser ferramentas essenciais na caracterização de estruturas tridimensionais observadas,” os pesquisadores escreveram em seu item.

“A reparo de anéis de vórtice magnéticos estáveis ​​abre possibilidades para estudos futuros de solitons tridimensionais complexos em ímãs massivos, permitindo o desenvolvimento de aplicações baseadas em estruturas magnéticas tridimensionais.”

A pesquisa foi publicada em Física da natureza.

Este item foi reescrito, traduzido de uma publicação em inglês. Clique cá para acessar a material original (em inglês)!