Med tid planerad att använda en viss strållinje vid National Synchrotron Light Source-II (NSLS-II), stod forskare från NSLS-II och deras partnerinstitutioner inför en utmaning. De planerade att undersöka en speciell typ av region i magnetiska material som kan vara användbara för nästa generations datorer. Regioner i magnetiska material – kallade magnetiska domäner – bestämmer ett materials magnetiska egenskaper. Forskarna ville studera hur dessa magnetiska domäner förändrades över tiden under påverkan av ett yttre magnetfält.
Men den nydesignade experimentkammaren som forskarna ville använda var inte riktigt klar ännu. Lyckligtvis hade forskarna ingen brist på ämnen de ville studera.
NSLS-II-teamet växlade för att köra ett mycket liknande experiment på samma ämne som kunde använda en annan kammare. Det de hittade ledde till att de utvecklade en helt ny teknik för att ta bilder av magnetiska material i rum och tid. Denna teknik ger nu detaljerade insikter som aldrig varit möjliga tidigare.
NSLS-II är en användaranläggning för Department of Energy (DOE) Office of Science vid Brookhaven National Laboratory. Det är en synkrotronljuskälla som ger röntgenstrålar 10 miljarder gånger ljusare än solen. Balkarna avslöjar svindlande detaljnivåer i material. De tillåter forskare att undersöka hur partiklar rör sig på nanoskalanivå (en DNA-sträng är 2,5 nanometer bred). Vissa av strållinjerna kan ta upp till 100 bilder per sekund.
Tillbaka 2018 ville teamet ursprungligen använda ett nyutvecklat instrument för strållinjen Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) vid NSLS-II. De hoppades kunna undersöka hur skyrmioner i ett magnetiskt material interagerar med yttre stimuli inom ett externt magnetfält. (Skyrmions är en typ av magnetisk domän.)
Med kammaren otillgänglig flyttade NSLS-II-teamet något fokus på sitt experiment. Med röntgenstrålar i en annan kammare på samma strållinje kunde de undersöka liknande material under olika förhållanden. De ville förstärka effekten av termisk rörelse (slumpmässig rörelse inducerad av temperatur) på konventionella magnetiska domäner.
Forskarna tog en serie bilder av de magnetiska domänerna vid fasta temperaturer. Genom att koppla ihop dessa bilder skapades en kort film, som en blädderbok. Den visade den termiska rörelsen hos de magnetiska domänerna under jämviktsförhållanden.
Resultaten visade något oväntat. De magnetiska domänerna gav intrycket av att dansa på ett repetitivt sätt runt vissa konfigurationer.
Resultatet var så spännande att forskarna ville veta mer om vad de såg. För att utvinna meningsfull kunskap från domänernas "dans" insåg de att de behövde utveckla en helt ny teknik.
Att utveckla en ny vetenskaplig teknik är långt ifrån lätt. Först tittade forskarna ännu närmare på data från NSLS-II. De visste att någonstans i all denna data fanns detaljerna om hur och varför de magnetiska domänerna rörde sig som de gjorde.
Men innan de kunde göra det, behövde de separera den svaga signalen som kom från magnetiska domäner från all information som röntgenstrålningen tog fram.
När de väl hade informationen om de magnetiska domänernas konfigurationer jämförde de stillbilderna från NSLS-II med varandra. De behövde matcha liknande tillsammans. Även om den enorma mängden data som NSLS-II samlar in kan vara en styrka, skapade den här ännu en utmaning. Det blev nästan 30 000 bilder! Det var alldeles för många för en person att sortera igenom. Forskarna utvecklade ännu en algoritm för att hantera det.
Som ett resultat av dessa år av arbete utvecklade teamet en helt ny maskin och algoritm för att ta bilder av magnetiska domäner. Detta behövdes eftersom många av förändringarna i magnetiska material bara syns om man tar direktbilder. Men fram till denna punkt kunde forskarna inte göra det. Det fanns alltid en avvägning mellan hur detaljerad bilden var och hur ofta du tog bilder för att skapa "filmen" av materialet. Tidigare tekniker slutade med "filmer" som var för bullriga eller för suddiga.
NSLS-II-teamet använde sin expertis inom röntgenteknik för att leda utvecklingen av en ny teknik som löste denna konflikt. Teamet kallade det koherent korrelationsavbildning. Som författarna sa i en tidning publicerad i Nature , avslöjade den nya tekniken "vidden av oväntad fysik gömd i materiens fluktuerande tillstånd."
Med denna nya teknik i handen kunde teamet tolka data. De svartvita bilderna de tog visade de magnetiska domänerna som blobbar med ojämna kanter. När forskarna körde bilderna som en film såg de att gränserna för några av domänerna rörde sig fram och tillbaka. Men andras gränser stannade nästan helt stilla.
Teamet insåg att det de såg var ett exempel på magnetisk "nålning". Forskare visste redan att pinning var en egenskap hos magnetiska material. Detta var dock första gången det var möjligt att se stiftet så detaljerat. Dessa detaljer avslöjade hur fästningen påverkade konfigurationen av magnetiska domäner och deras repetitiva dans.
De magnetiska domänerna som kallas skyrmioner fungerar vanligtvis som bollar på en plan yta. Den slumpmässiga energin hos atomer och molekyler, som vindbyar, gör att domänerna rör sig runt ytan. Pinning skapar gupp och dalar på den plana ytan. Det finns några webbplatser som fungerar som dalar, där de magnetiska domänerna är mer benägna att "rulla" in. Det finns andra webbplatser som fungerar som kullar som domänerna inte kan passera över.
Vad forskarna såg var gränserna för den magnetiska domänen som svajade fram och tillbaka men begränsade i sin konfiguration av dessa kullar och dalar. Gränserna som rörde sig ganska mycket var inte begränsade. Däremot var gränserna som knappt rörde sig omgivna av dessa kullesektioner som stötte bort dem. Bilden ovan är en sammanställning av var gränserna för de magnetiska domänerna samlades. De ljusaste områdena är de platser som domängränserna flyttas till om och om igen. Det begränsade antalet tillgängliga konfigurationer gjorde att systemet slumpmässigt upprepade de tillgängliga magnetiska konfigurationerna om och om igen. Det var som att blanda steg i en repetitiv dans.
Koherent korrelationsavbildning tillät inte bara forskarna att se dessa förändringar för första gången utan också ta reda på varför de hände. Denna information är viktig för att ta reda på hur man kontrollerar skyrmioner - det slutliga syftet med den ursprungliga studien för mer än sex år sedan. Skyrmioner kan användas på ett sätt som efterliknar mänskligt korttidsminne, vilket kan vara viktigt för artificiell intelligens.
Men applikationerna för koherent korrelationsavbildning går långt utöver skyrmions. Denna teknik kan vara användbar för alla typer av forskning om fasövergångar i material. För magnetiska domäner har koherent korrelationsavbildning konsekvenser för framtida elektronik och vidare.
Till slut vände forskargruppen en oväntad utmaning till ett stort steg framåt för materialforskning.
Mer information: Christopher Klose et al, Koherent korrelationsavbildning för att lösa fluktuerande materiatillstånd, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-022-05537-9
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av US Department of Energy
