Hvordan videnskabsmænds evne til at tilpasse sig førte til ny indsigt i magnetisme

Med tid planlagt til at bruge en bestemt strålelinje ved National Synchrotron Light Source-II (NSLS-II), stod forskere fra NSLS-II og deres partnerinstitutioner over for en udfordring. De planlagde at forske i en særlig type region i magnetiske materialer, der kunne være nyttige til næste generations computere. Områder i magnetiske materialer - kaldet magnetiske domæner - bestemmer et materiales magnetiske egenskaber. Forskerne ønskede at studere, hvordan disse magnetiske domæner ændrede sig over tid under påvirkning af et eksternt magnetfelt.

Men det nydesignede forsøgskammer, som forskerne ønskede at bruge, var ikke helt klar endnu. Heldigvis manglede forskerne ikke emner, de ønskede at studere.

NSLS-II-holdet skiftede gear for at køre et meget lignende eksperiment om det samme emne, der kunne bruge et andet kammer. Det, de fandt, førte til, at de udviklede en helt ny teknik til at tage billeder af magnetiske materialer i rum og tid. Denne teknik giver nu detaljeret indsigt, som aldrig har været mulig før.

NSLS-II er en Department of Energy (DOE) Office of Science brugerfacilitet ved Brookhaven National Laboratory. Det er en synkrotronlyskilde, der giver røntgenstråler 10 milliarder gange lysere end solen. Bjælkerne afslører forbløffende detaljeringsniveauer i materialer. De giver videnskabsmænd mulighed for at undersøge, hvordan partikler bevæger sig på nanoskalaniveau (en DNA-streng er 2,5 nanometer bred). Nogle af strålelinjerne kan tage op til 100 billeder i sekundet.

Tilbage i 2018 ønskede holdet oprindeligt at bruge et nyudviklet instrument til Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) beamline på NSLS-II. De håbede at undersøge, hvordan skyrmioner i et magnetisk materiale interagerer med eksterne stimuli inden for et eksternt magnetfelt. (Skyrmions er en type magnetisk domæne.)

Da kammeret ikke var tilgængeligt, flyttede NSLS-II-holdet lidt fokus på deres eksperiment. Med røntgenstråler i et andet kammer på den samme strålelinje kunne de undersøge lignende materialer under forskellige forhold. De ønskede at forstærke effekten af ​​termisk bevægelse (tilfældig bevægelse induceret af temperatur) på konventionelle magnetiske domæner.

Forskerne tog en række billeder af de magnetiske domæner ved faste temperaturer. At forbinde disse billeder sammen skabte en kort film, som en flipbog. Den viste den termiske bevægelse af de magnetiske domæner under ligevægtsforhold.

Resultaterne viste noget uventet. De magnetiske domæner gav indtryk af at danse på en gentagende måde omkring visse konfigurationer.

Resultatet var så spændende, at forskerne gerne ville vide mere om, hvad de så. For at udvinde meningsfuld viden fra domænernes "dans" indså de, at de var nødt til at udvikle en helt ny teknik.

Det er langt fra nemt at udvikle en ny videnskabelig teknik. Først kiggede forskerne endnu nærmere på dataene fra NSLS-II. De vidste et sted i alle disse data var detaljerne om, hvordan og hvorfor de magnetiske domæner bevægede sig, som de gjorde.

Men før de kunne gøre det, var de nødt til at adskille det svage signal, der kommer fra magnetiske domæner, fra al den information, som røntgenstrålerne udleder.

Da de havde fået informationen om de magnetiske domæners konfigurationer, sammenlignede de stillbillederne fra NSLS-II med hinanden. De havde brug for at matche lignende sammen. Mens den enorme mængde data, NSLS-II indsamler, kan være en styrke, skabte det her endnu en udfordring. Der var næsten 30.000 billeder! Det var alt for mange for en person at sortere igennem. Forskerne udviklede endnu en algoritme til at tackle det.

Som et resultat af disse års arbejde udviklede holdet et helt nyt maskineri og algoritme til at tage billeder af magnetiske domæner. Dette var nødvendigt, fordi mange af ændringerne i magnetiske materialer kun er synlige, hvis du tager direkte billeder. Men indtil dette tidspunkt var videnskabsmænd ikke i stand til at gøre det. Der var altid en afvejning mellem, hvor detaljeret billedet var, og hvor ofte man tog billeder for at skabe "filmen" af materialet. Tidligere teknikker endte med "film", der var for støjende eller for slørede.

NSLS-II-holdet brugte deres ekspertise inden for røntgenteknikker til at lede udviklingen af ​​en ny teknik, der løste denne konflikt. Holdet kaldte det kohærent korrelationsbilleddannelse. Som forfatterne sagde i et papir udgivet i Nature , afslørede den nye teknik "bredden af ​​uventet fysik skjult i fluktuerende stoftilstande."

Med denne nye teknik i hånden kunne holdet fortolke dataene. De sort-hvide billeder, de tog, viste de magnetiske domæner som klatter med ujævne kanter. Ved at køre billederne som en film, så forskerne, at grænserne for nogle af domænerne bevægede sig frem og tilbage. Men andres grænser holdt sig næsten helt stille.

Holdet indså, at det, de så, var et eksempel på magnetisk "pinning". Forskere vidste allerede, at pinning var en egenskab ved magnetiske materialer. Det var dog første gang, det var muligt at se pinningen så detaljeret. Disse detaljer afslørede, hvordan fastgørelsen påvirkede konfigurationen af ​​magnetiske domæner og deres gentagne dans.

De magnetiske domæner kaldet skyrmioner fungerer generelt som kugler på en flad overflade. Den tilfældige energi fra atomer og molekyler, som vindstød, får domænerne til at bevæge sig rundt på overfladen. Pinning skaber bump og dale på den flade overflade. Der er nogle websteder, der fungerer som dale, hvor de magnetiske domæner er mere tilbøjelige til at "rulle" ind. Der er andre websteder, der fungerer som bakker, som domænerne ikke kan passere over.

Det, forskerne så, var grænserne for det magnetiske domæne, der svajede frem og tilbage, men begrænset i deres konfiguration af disse bakker og dale. Grænserne, der flyttede sig en del, var ikke begrænset. I modsætning hertil var grænserne, der næsten ikke bevægede sig, omgivet af disse bakkeafsnit, der afviste dem. Billedet ovenfor er en samling af, hvor grænserne for de magnetiske domæner akkumulerede. De lyseste områder er de steder, som domænets grænser flyttede til igen og igen. Det begrænsede antal tilgængelige konfigurationer gjorde, at systemet tilfældigt gentog de tilgængelige magnetiske konfigurationer igen og igen. Det var som at blande trin i en gentagne dans.

Kohærent korrelationsbilleddannelse gjorde det ikke kun muligt for forskerne at se disse skift for første gang, men også finde ud af, hvorfor de skete. Denne information er afgørende for at finde ud af, hvordan man kontrollerer skyrmioner - det endelige formål med den oprindelige undersøgelse for mere end seks år siden. Skyrmioner kan bruges på en måde, der efterligner menneskelig korttidshukommelse, hvilket kan være vigtigt for kunstig intelligens.

Men applikationerne til kohærent korrelationsbilleddannelse går langt ud over skyrmions. Denne teknik kan være nyttig til alle former for forskning i faseovergange i materialer. For magnetiske domæner har kohærent korrelationsbilleddannelse implikationer for fremtidig elektronik og videre.

I sidste ende vendte forskerholdet en uventet udfordring til et stort skridt fremad for materialeforskning.

Flere oplysninger: Christopher Klose et al., Kohærent korrelationsbilleddannelse til løsning af fluktuerende stoftilstande, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-022-05537-9

Journaloplysninger: Natur

Leveret af det amerikanske energiministerium