Les aimants recèlent souvent une beauté cachée. Prenez un simple aimant de réfrigérateur :de manière quelque peu contre-intuitive, il est "collant" d'un côté mais pas de l'autre. Le secret réside dans la manière dont l'aimantation est disposée selon un motif bien défini à l'intérieur du matériau. Des textures de magnétisation plus complexes sont au cœur de nombreuses technologies modernes, tels que les disques durs. Maintenant, une équipe internationale de scientifiques de l'Institut Paul Scherrer PSI, ETH Zurich, l'Université de Cambridge, l'Institut de physique et d'ingénierie de Donetsk et l'Institut de mathématiques numériques RAS de Moscou rapportent la découverte de structures magnétiques inattendues à l'intérieur d'un minuscule pilier fait du matériau magnétique gadolinium cobalt. Comme ils l'écrivent dans un article publié aujourd'hui dans la revue Physique de la nature , les chercheurs ont observé des configurations en forme de boucle submicrométriques, qu'ils ont identifié comme des anneaux de vortex magnétiques. Bien au-delà de leur attrait esthétique, ces textures pourraient ouvrir la voie à d'autres structures tridimensionnelles complexes apparaissant dans la majeure partie des aimants, et pourraient un jour constituer la base de nouvelles applications technologiques.

Des informations fascinantes

Déterminer l'agencement de magnétisation dans un aimant est extrêmement difficile, en particulier pour les structures à l'échelle micro et nanométrique, pour lesquelles les études se sont généralement limitées à examiner une couche peu profonde juste en dessous de la surface. Cela a changé en 2017 lorsque des chercheurs du PSI et de l'ETH Zurich ont introduit une nouvelle méthode aux rayons X pour la nanotomographie d'aimants en vrac, qu'ils ont démontré dans des expériences à la source lumineuse suisse SLS. Cette avancée a ouvert une fenêtre unique sur la vie intérieure des aimants, fournir un outil pour déterminer des configurations magnétiques tridimensionnelles à l'échelle nanométrique dans des échantillons de taille micrométrique.

En utilisant ces capacités, membres de l'équipe d'origine, avec des collaborateurs internationaux, maintenant aventuré dans un nouveau territoire. Les formes de boucles étonnantes qu'ils ont observées apparaissent dans les mêmes échantillons de micropiliers de gadolinium cobalt dans lesquels ils avaient auparavant détecté des configurations magnétiques complexes constituées de vortex - le genre de structures observées lorsque l'eau descend d'un évier - et leurs homologues topologiques, antivortex. C'était une première, mais la présence de ces textures n'a pas été surprenante en soi. De façon inattendue, cependant, les scientifiques ont également découvert des boucles constituées de paires de tourbillons et d'antivortex. Cette observation s'est avérée déroutante au départ. Avec la mise en œuvre de nouvelles techniques sophistiquées d'analyse de données, ils ont finalement établi que ces structures sont ce qu'on appelle des anneaux de vortex - en substance, tourbillons en forme de beignet.

Une nouvelle tournure sur une vieille histoire

Les anneaux de vortex sont familiers à tous ceux qui ont vu des anneaux de fumée être soufflés, ou qui a vu des dauphins produire des bulles d'air en forme de boucle, autant pour leur propre amusement que pour celui de leur public. Les anneaux de vortex magnétiques nouvellement découverts sont captivants en eux-mêmes. Non seulement leur observation vérifie les prédictions faites il y a une vingtaine d'années, régler la question de savoir si de telles structures peuvent exister. Ils ont également offert des surprises. En particulier, anneaux de vortex magnétiques ont été prédits comme un phénomène transitoire, mais dans les expériences maintenant rapportées, ces structures se sont avérées remarquablement stables.

La stabilité des anneaux de vortex magnétiques devrait avoir des implications pratiques importantes. Pour un, ils pourraient potentiellement se déplacer à travers des matériaux magnétiques, alors que les anneaux de fumée se déplacent de manière stable dans l'air, ou des bulles d'air sonnent dans l'eau. Apprendre à contrôler les anneaux dans le volume de l'aimant peut ouvrir des perspectives intéressantes pour un stockage et un traitement de données 3D écoénergétiques. On s'intéresse à la physique de ces nouvelles structures, trop, car les anneaux de vortex magnétiques peuvent prendre des formes impossibles pour leurs homologues de fumée et de bulle. L'équipe a déjà observé des configurations uniques, et aller de l'avant, leur exploration plus poussée promet de mettre en lumière une beauté encore plus magnétique.