Verborgene Schönheit: Erste experimentelle Beobachtung dreidimensionaler magnetischer “Wirbelringe”.

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Die erste experimentelle Beobachtung dreidimensionaler magnetischer “Wirbelringe” liefert grundlegende Einblicke in komplizierte nanoskalige Strukturen innerhalb von Volumenmagneten und bietet neue Perspektiven für magnetische Vorrichtungen.

Magnete bergen oft verborgene Schönheit. Nehmen Sie einen einfachen Kühlschrankmagneten: Etwas kontraintuitiv ist er auf der einen Seite “klebrig”, auf der anderen nicht. Das Geheimnis liegt in der Art und Weise, wie die Magnetisierung in einem wohldefinierten Muster innerhalb des Materials angeordnet ist. Kompliziertere Magnetisierungsstrukturen sind das Herzstück vieler moderner Technologien, wie zum Beispiel Festplattenlaufwerke. Nun berichtet ein internationales Team von Wissenschaftlern des Paul Scherrer Instituts PSI, der ETH Zürich, der Universität Cambridge, des Donetsk Institute for Physics and Engineering und des Instituts für Numerische Mathematik RAS in Moskau von der Entdeckung unerwarteter magnetischer Strukturen in einer winzigen Säule aus dem magnetischen Material Gadolinium-Kobalt.

Wie sie in einer am 30. November 2020 in der Zeitschrift Nature Physics[1] veröffentlichten Arbeit schreiben, beobachteten die Forscher schleifenförmige Konfigurationen im Submikrometerbereich, die sie als magnetische Wirbelringe identifizierten. Weit über ihren ästhetischen Reiz hinaus könnten diese Texturen den Weg zu weiteren komplexen dreidimensionalen Strukturen weisen, die in der Masse der Magnete entstehen und eines Tages die Grundlage für neuartige technologische Anwendungen bilden könnten.

Faszinierende Einsichten

Die Bestimmung der Magnetisierungsanordnung innerhalb eines Magneten ist außerordentlich anspruchsvoll, insbesondere für Strukturen im Mikro- und Nanobereich, bei denen sich die Studien bisher typischerweise auf die Betrachtung einer flachen Schicht knapp unter der Oberfläche beschränkt haben. Das änderte sich 2017, als Forschende des PSI und der ETH Zürich ein neuartiges Röntgenverfahren für die Nanotomographie von Bulk-Magneten einführten, das sie in Experimenten an der Schweizerischen Lichtquelle SLS demonstrierten[2]. Dieser Fortschritt eröffnete ein einzigartiges Fenster ins Innenleben von Magneten, das ein Werkzeug zur Bestimmung dreidimensionaler magnetischer Konfigurationen im Nanomassstab in mikrometergrossen Proben bereitstellt.

Unter Nutzung dieser Fähigkeiten wagten sich die Mitglieder des ursprünglichen Teams zusammen mit internationalen Mitarbeitern nun auf neues Terrain. Die verblüffenden Schleifenformen, die sie beobachteten, erscheinen in denselben Gadolinium-Kobalt-Mikrosäulenproben, in denen sie zuvor komplexe magnetische Konfigurationen aus Wirbeln – die Art von Strukturen, die man sieht, wenn Wasser von einem Waschbecken herabfließt – und ihren topologischen Gegenstücken, den Antivirbeln, entdeckt hatten. Das war eine Premiere, aber das Vorhandensein dieser Texturen war an sich nicht überraschend. Unerwartet fanden die Wissenschaftler jedoch auch Schleifen, die aus Paaren von Wirbeln und Antivirbeln bestehen. Diese Beobachtung erwies sich zunächst als rätselhaft. Mit Hilfe neuartiger, ausgeklügelter Datenanalysetechniken stellten sie schließlich fest, dass es sich bei diesen Strukturen um so genannte Wirbelringe handelt – im Grunde genommen um krapfenförmige Wirbel.

Eine neue Wendung in einer alten Geschichte

Wirbelringe sind jedem bekannt, der schon einmal gesehen hat, wie Rauchringe geblasen wurden oder Delfine beobachtet hat, die schleifenförmige Luftblasen produzierten, und zwar sowohl zu ihrem eigenen Vergnügen als auch zum Vergnügen ihres Publikums. Die neu entdeckten magnetischen Wirbelringe bestechen auf ihre Weise. Ihre Beobachtung verifiziert nicht nur Vorhersagen, die vor etwa zwei Jahrzehnten gemacht wurden und die die Frage klären, ob solche Strukturen existieren können. Sie boten auch Überraschungen. Insbesondere wurde vorausgesagt, dass magnetische Wirbelringe ein vorübergehendes Phänomen sind, aber in den jetzt berichteten Experimenten erwiesen sich diese Strukturen als bemerkenswert stabil.

Die Stabilität von magnetischen Wirbelringen sollte wichtige praktische Auswirkungen haben. Zum einen könnten sie sich möglicherweise durch magnetische Materialien bewegen, da sich Rauchringe stabil durch Luft oder Luftblasenringe durch Wasser bewegen. Zu lernen, wie man die Ringe innerhalb des Magnetvolumens steuern kann, kann interessante Perspektiven für eine energieeffiziente 3D-Datenspeicherung und -verarbeitung eröffnen. Es besteht auch Interesse an der Physik dieser neuen Strukturen, da magnetische Wirbelringe Formen annehmen können, die für ihre Rauch- und Blasenringe nicht möglich sind. Das Team hat bereits einige einzigartige Konfigurationen beobachtet, und ihre weitere Erforschung verspricht für die Zukunft noch mehr magnetische Schönheit ans Licht zu bringen.

Literaturhinweise:

“Experimentelle Beobachtung von Wirbelringen in einem Volumenmagneten” von Claire Donnelly, Konstantin L. Metlov, Valerio Scagnoli, Manuel Guizar-Sicairos, Mirko Holler, Nicholas S. Bingham, Jörg Raabe, Laura J. Heyderman, Nigel R. Cooper und Sebastian Gliga, 30. November 2020, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-020-01057-3
“Dreidimensionale Magnetisierungsstrukturen aufgedeckt mit Röntgenvektor-Nanotomographie” von Claire Donnelly, Manuel Guizar-Sicairos, Valerio Scagnoli, Sebastian Gliga, Mirko Holler, Jörg Raabe und Laura J. Heyderman, 20. Juli 2017, Nature.
DOI: 10.1038/Natur23006.

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