Ser magnetiske nano-tornadoer i 3D

Forskere har udviklet en tredimensionel billedbehandlingsteknik til at observere kompleks adfærd i magneter, inklusive hurtige bølger og 'tornadoer' tusindvis af gange tyndere end et menneskehår.

Holdet, fra universiteterne i Cambridge og Glasgow i Storbritannien og ETH Zürich og Paul Scherrer Institute i Schweiz, brugte deres teknik til at observere, hvordan magnetiseringen opfører sig, første gang er det gjort i tre dimensioner. Teknikken, kaldet tidsopløst magnetisk laminografi, kunne bruges til at forstå og kontrollere adfærden af ​​nye typer magneter til næste generations datalagring og -behandling. Resultaterne er rapporteret i journalen Natur nanoteknologi .

Magneter er meget brugt i applikationer fra datalagring til energiproduktion og sensorer. For at forstå, hvorfor magneter opfører sig, som de gør, det er vigtigt at forstå strukturen af ​​deres magnetisering, og hvordan den struktur reagerer på skiftende strømme eller magnetiske felter.

"Indtil nu, det har ikke været muligt rent faktisk at måle, hvordan magneter reagerer på skiftende magnetiske felter i tre dimensioner, " sagde Dr. Claire Donnelly fra Cambridges Cavendish Laboratory, og undersøgelsens første forfatter. "Vi har kun virkelig været i stand til at observere denne adfærd i tynde film, som i det væsentlige er todimensionelle, og som derfor ikke giver os et komplet billede."

At flytte fra to dimensioner til tre er meget komplekst, imidlertid. Modellering og visualisering af magnetisk adfærd er relativt ligetil i to dimensioner, men i tre dimensioner, magnetiseringen kan pege i enhver retning og danne mønstre, hvilket er det, der gør magneter så kraftfulde.

"Det er ikke kun vigtigt at vide, hvilke mønstre og strukturer denne magnetisering danner, men det er vigtigt at forstå, hvordan det reagerer på ydre stimuli, " sagde Donnelly. "Disse svar er interessante fra et grundlæggende synspunkt, men de er afgørende, når det kommer til magnetiske enheder, der bruges i teknologi og applikationer."

En af hovedudfordringerne ved at undersøge disse reaktioner er bundet til netop grunden til, at magnetiske materialer er så relevante til så mange anvendelser:ændringer i magnetiseringen er typisk ekstremt små, og sker ekstremt hurtigt. Magnetiske konfigurationer - såkaldte domænestrukturer - udviser træk i størrelsesordenen ti til hundrede af nanometer, tusindvis af gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, og reagerer typisk på magnetiske felter og strømme i milliardtedele af et sekund.

Nu, Donnelly og hendes samarbejdspartnere fra Paul Scherrer Institute, University of Glasgow og ETH Zürich har udviklet en teknik til at se ind i en magnet, visualisere dens nanostruktur, og hvordan det reagerer på et skiftende magnetfelt i tre dimensioner, og i den størrelse og de krævede tidsskalaer.

Teknikken de udviklede, tidsopløst magnetisk laminografi, bruger kraftige røntgenstråler kaldet synkrotron røntgenstråler til at sondere den magnetiske tilstand fra forskellige retninger på nanoskala, og hvordan det ændrer sig som reaktion på et hurtigt vekslende magnetfelt. Det resulterende syvdimensionelle datasæt (tre dimensioner for positionen, tre for retningen og en for tiden) opnås derefter ved hjælp af en specialudviklet rekonstruktionsalgoritme, giver et kort over magnetiseringsdynamikken med 70 picosekunders tidsmæssig opløsning, og 50 nanometer rumlig opløsning.

Det, forskerne så med deres teknik, var som en nanostorm:mønstre af bølger og tornadoer, der bevægede sig side til side, efterhånden som magnetfeltet ændrede sig. Bevægelsen af ​​disse tornadoer, eller hvirvler, var tidligere kun blevet observeret i to dimensioner.

Forskerne testede deres teknik ved hjælp af konventionelle magneter, men de siger, at det også kunne være nyttigt i udviklingen af ​​nye typer magneter, som udviser nye typer magnetisme. Disse nye magneter, såsom 3-D-printede nanomagneter, kunne være nyttig til nye typer højdensitet, højeffektiv datalagring og -behandling.

"Vi kan nu undersøge dynamikken i nye typer systemer, der kan åbne op for nye applikationer, vi ikke engang har tænkt på, " sagde Donnelly. "Dette nye værktøj vil hjælpe os til at forstå, og kontrol, deres adfærd."