Første gangs 3D-billeddannelse af interne magnetiske mønstre

Magneter findes i motorer, i energiproduktion og i datalagring. En dybere forståelse af magnetiske materialers grundlæggende egenskaber kan derfor påvirke vores hverdagsteknologi. En undersøgelse foretaget af forskere ved Paul Scherrer Institute PSI i Schweiz, ETH Zürich og University of Glasgow har potentialet til at fremme denne forståelse.

Forskerne har for første gang synliggjort retningerne af magnetiseringen inde i et objekt, der er tykkere end nogensinde før i 3-D og ned til detaljer, der er ti tusinde gange mindre end en millimeter (100 nanometer). De var i stand til at kortlægge det tredimensionelle arrangement af de magnetiske momenter. Disse kan opfattes som små magnetiske kompasnåle inde i materialet, der tilsammen definerer dets magnetiske struktur. Forskerne opnåede deres visualisering inde i en gadolinium-koboltmagnet ved hjælp af en eksperimentel billeddannelsesteknik kaldet hård røntgenmagnetisk tomografi, som blev udviklet på PSI. Resultatet afslørede spændende sammenflettede mønstre og, i dem, såkaldte Bloch-punkter. På et Bloch-punkt, magnetnålene skifter brat retning. Bloch-punkter blev forudsagt teoretisk i 1965, men er først nu blevet observeret direkte med disse nye målinger. Forskerne offentliggjorde deres undersøgelse i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Natur .

Et team af forskere fra Paul Scherrer Institute PSI, ETH Zürich og University of Glasgow har for første gang været i stand til at afbilde den magnetiske struktur i et lille 3D-objekt på nanometerskalaen. Den magnetiske struktur er et arrangement af magnetiske momenter, som hver især kan opfattes som en lille magnetisk kompasnål. Det undersøgte objekt var en mikrometer-størrelse søjle (tusindedel af en millimeter i diameter) lavet af materialet gadolinium-kobolt, som virker som en ferromagnet. Inden i det, forskerne visualiserede de magnetiske mønstre, der forekommer på en skala ti tusind gange mindre end en millimeter – med andre ord, den mindste detalje, de kunne gøre synlige i deres 3-D-billeder, var omkring 100 nanometer. Den sofistikerede billeddannelse blev opnået ved en teknik kaldet hård røntgenmagnetisk tomografi, som blev nyudviklet på PSI i løbet af denne proof-of-principle undersøgelse.

Indtil nu, billeddannelse af magnetisme og magnetiske mønstre i denne lille skala kunne kun udføres i tynde film eller på overflader af objekter, forklarer Laura Heyderman, hovedforsker af undersøgelsen, forsker ved PSI og professor ved ETH Zürich. Vi føler virkelig, at vi dykker inde i det magnetiske materiale, at se og forstå 3D-arrangementet af de små magnetiske kompasnåle. Disse små nåle 'føler' hinanden og er derfor ikke orienteret tilfældigt, men danner i stedet veldefinerede mønstre i hele det magnetiske objekt.

Grundlæggende magnetiske strukturer og førstegangsvisualisering af Bloch-punkter

Forskerne indså hurtigt, at de magnetiske mønstre bestod af sammenfiltrede fundamentale magnetiske strukturer:De genkendte domæner, med andre ord, områder med homogen magnetisering, og domænevægge, grænserne, der adskiller to forskellige domæner. De observerede også magnetiske hvirvler, som har en struktur analog med tornadoernes, og alle disse strukturer flettet sammen for at skabe et komplekst og unikt mønster. At se disse grundlæggende og velkendte strukturer samles i et komplekst 3-D-netværk gav mening og var meget smukt og givende, siger Claire Donnelly, første forfatter til undersøgelsen.

En specifik slags mønster skilte sig ud og gav yderligere betydning for forskernes resultater:et par magnetiske singulariteter, såkaldte Bloch-punkter. Bloch-punkter indeholder et uendeligt lille område, inden for hvilket de magnetiske kompasnåle pludselig ændrer retning. Singulariteter generelt har fascineret videnskabsmænd inden for en række forskningsfelter. Velkendte eksempler er sorte huller i rummet. I ferromagneter, magnetiseringen kan generelt betragtes som kontinuerlig på nanoskalaen. Ved disse singulariteter, imidlertid, denne beskrivelse går i stykker, siger Sebastian Gliga fra University of Glasgow og gæsteforsker ved PSI. Bloch-punkter udgør monopoler af magnetiseringen, og selvom de først blev forudsagt for over 60 år siden, de er aldrig blevet observeret direkte.

Magnetisk røntgentomografi:3D-kortlægning med opløsning i nanoskala

Den eksperimentelle teknik med magnetisk røntgentomografi, der anvendes i denne undersøgelse, bygger på et grundlæggende princip fra computertomografi (CT). Svarende til medicinske CT-scanninger, mange røntgenbilleder af prøven tages efter hinanden fra mange forskellige retninger med en lille vinkel imellem tilstødende billeder. Målingerne blev udført ved cSAXS-strålelinjen af ​​synkrotron-lyskilden SLS ved PSI ved hjælp af avanceret instrumentering til røntgen-nanotomografi under OMNY-projektet og en nyligt udviklet billedbehandlingsteknik kaldet ptychography. Ved at anvende computerberegninger og en ny rekonstruktionsalgoritme udviklet hos PSI, alle data indsamlet på denne måde blev kombineret for at danne det endelige 3-D kort over magnetiseringen.

Forskerne brugte såkaldte 'hårde' røntgenstråler fra SLS på PSI. I sammenligning med 'bløde' røntgenstråler, hårde røntgenstråler har højere energi. Bløde røntgenstråler med lavere energi er allerede med stor succes blevet brugt til at opnå et lignende kort over de magnetiske momenter, Claire Donnelly forklarer. Men bløde røntgenstråler trænger næppe ind i sådanne prøver, så du kan kun bruge dem til at se magnetiseringen af ​​en tynd film eller på overfladen af ​​et bulkobjekt. For virkelig at dykke ned i deres magnet, PSI-forskerne valgte hårde røntgenstråler med højere energi, til prisen for at opnå et meget svagere signal:Mange mennesker troede ikke på, at vi ville være i stand til at opnå denne 3-D magnetiske billeddannelse med hårde røntgenstråler, Laura Heyderman husker.

Skræddersy fremtidens magneter

Forskerne ser deres præstation som et bidrag til en dybere forståelse af magnetiske materialers grundlæggende egenskaber. I øvrigt, evnen til at afbilde inde i magneter kan anvendes på mange af nutidens teknologiske problemer:Magneter findes i motorer, i energiproduktion og i datalagring – at skabe bedre magneter har således et enormt potentiale for at forbedre mange hverdagsapplikationer.