Magneter finns i motorer, inom energiproduktion och datalagring. En djupare förståelse av de magnetiska materialens grundläggande egenskaper kan därför påverka vår vardagsteknik. En studie av forskare vid Paul Scherrer Institute PSI i Schweiz, ETH Zürich och University of Glasgow har potential att främja denna förståelse.

Forskarna har för första gången synliggjort magnetiseringsriktningarna inuti ett föremål tjockare än någonsin tidigare i 3D och ner till detaljer tiotusen gånger mindre än en millimeter (100 nanometer). De kunde kartlägga det tredimensionella arrangemanget av de magnetiska stunderna. Dessa kan ses som små magnetiska kompassnålar inuti materialet som tillsammans definierar dess magnetiska struktur. Forskarna uppnådde sin visualisering inuti en gadolinium-koboltmagnet med hjälp av en experimentell bildteknik som kallas hård röntgenmagnetisk tomografi som utvecklades vid PSI. Resultatet avslöjade spännande sammanflätade mönster och, inom dem, så kallade Bloch-poäng. Vid en Bloch -punkt, magnetnålarna ändrar plötsligt sin riktning. Bloch -poäng förutspåddes teoretiskt 1965 men har först nu observerats direkt med dessa nya mätningar. Forskarna publicerade sin studie i den berömda vetenskapliga tidskriften Natur .

Ett team av forskare från Paul Scherrer Institute PSI, ETH Zürich och University of Glasgow har för första gången kunnat avbilda den magnetiska strukturen i ett litet 3D-objekt på nanometerskalan. Den magnetiska strukturen är ett arrangemang av magnetiska moment, var och en kan ses som en liten magnetisk kompassnål. Det studerade föremålet var en mikrometerstorlek (tusendels millimeter i diameter) gjord av materialet gadolinium-kobolt, som fungerar som en ferromagnet. Inom det, forskarna visualiserade de magnetiska mönstren som förekommer i en skala tiotusen gånger mindre än en millimeter - med andra ord, den minsta detalj som de kunde synliggöra i sina 3D-bilder var cirka 100 nanometer. Den sofistikerade avbildningen uppnåddes med en teknik som kallas hård röntgenmagnetisk tomografi som nyligen utvecklades vid PSI under denna princip-principstudie.

Tills nu, bildmagnetism och magnetmönster i denna lilla skala kan endast göras i tunna filmer eller på föremålens ytor, förklarar Laura Heyderman, huvudutredare för studien, forskare vid PSI och professor vid ETH Zürich. Vi känner verkligen att vi dyker inuti det magnetiska materialet, se och förstå 3D-arrangemanget av de små magnetiska kompassnålarna. Dessa små nålar 'känner' varandra och orienteras därför inte slumpmässigt, men bilda istället väldefinierade mönster genom hela det magnetiska föremålet.

Grundläggande magnetiska strukturer och första gången visualisering av Bloch-punkter

Forskarna insåg snabbt att de magnetiska mönstren bestod av trassliga grundläggande magnetiska strukturer:De kände igen domäner, med andra ord, regioner med homogen magnetisering, och domänväggar, gränserna som skiljer två olika domäner. De observerade också magnetiska virvlar, som har en struktur som är analog med tornados, och alla dessa strukturer sammanflätade för att skapa ett komplext och unikt mönster. Att se dessa grundläggande och välkända strukturer samlas i ett komplext 3D-nätverk var meningsfullt och var väldigt vackert och givande, säger Claire Donnelly, första författaren till studien.

En specifik typ av mönster stack ut och gav ytterligare betydelse för forskarnas resultat:ett par magnetiska singulariteter, så kallade Bloch-poäng. Bloch -punkter innehåller ett oändligt litet område inom vilket magnetkompassnålarna plötsligt ändrar riktning. Singulariteter i allmänhet har fascinerat forskare inom olika forskningsområden. Välkända exempel är svarta hål i rymden. I ferromagneter, magnetiseringen kan generellt anses vara kontinuerlig på nanoskala. Vid dessa singulariteter, dock, denna beskrivning går sönder, säger Sebastian Gliga vid University of Glasgow och gästforskare vid PSI. Bloch -punkter utgör monopoler för magnetiseringen och även om de först förutspåddes för över 60 år sedan, de har aldrig observerats direkt.

Magnetisk röntgentomografi:3D-kartläggning med nanoskalaupplösning

Den experimentella tekniken för magnetisk röntgentomografi som används i denna studie bygger på en grundläggande princip från datortomografi (CT). Liknar medicinska CT -skanningar, många röntgenbilder av provet tas efter varandra från många olika riktningar med en liten vinkel mellan intilliggande bilder. Mätningarna utfördes vid cSAXS-strållinjen för synkrotronljuskällan SLS vid PSI med hjälp av avancerad instrumentering för röntgen-nanotomografi under OMNY-projektet och en nyligen utvecklad bildteknik som kallas ptychography. Använder datorberäkningar och en ny rekonstruktionsalgoritm utvecklad vid PSI, all data som samlats in på detta sätt kombinerades för att bilda den sista 3D-kartan för magnetiseringen.

Forskarna använde så kallade 'hårda' röntgenstrålar från SLS vid PSI. I jämförelse med "mjuka" röntgenstrålar, hårda röntgenstrålar har högre energi. Mjuka röntgenstrålar med lägre energi har redan mycket framgångsrikt använts för att uppnå en liknande karta över de magnetiska momenten, Claire Donnelly förklarar. Men mjuka röntgenstrålar penetrerar knappast sådana prover, så du kan bara använda dem för att se magnetiseringen av en tunn film eller på ytan av ett bulkobjekt. För att verkligen dyka in i deras magnet, PSI-forskarna valde hårda röntgenstrålar med högre energi, till priset för att få en mycket svagare signal:Många trodde inte att vi skulle kunna uppnå denna 3D-magnetiska avbildning med hårda röntgenstrålar, Laura Heyderman minns.

Skräddarsy framtidens magneter

Forskarna ser deras prestation som ett bidrag till en djupare förståelse av de magnetiska materialens grundläggande egenskaper. Dessutom, förmågan att avbilda inuti magneter kan tillämpas på många av dagens tekniska problem:Magneter finns i motorer, inom energiproduktion och datalagring-att skapa bättre magneter har således en enorm potential att förbättra många applikationer varje dag.