Surfare tillbringar mycket av sin tid med att se långa vågor komma in på strandlinjen när de försöker fånga en rätt när den börjar kröka och bryta.

På liknande sätt, forskare arbetar för att skapa vridande spiralformade elektromagnetiska vågor vars krökning tillåter mer exakt avbildning av de magnetiska egenskaperna hos olika material på atomnivå och kan möjligen leda till utvecklingen av framtida enheter.

När forskare använder elektronstrålar för att titta på prover av material, de har förmågan att modifiera många olika aspekter av de elektromagnetiska vågorna som utgör strålen. De kan göra vågornas amplitud större eller mindre, eller göra vågorna snabbare eller långsammare. Dock, hittills har det inte funnits något enkelt sätt att förvandla en plan våg – som de långa rullande vågorna ute på havet – till en spiralformad våg, som de som kraschar på land.

I en ny studie från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, forskare har skapat små regioner av magnetiska defekter gjorda av magnetiska öar i nanoskala sammansatta i ett rutnät. De plana vågorna samverkar med dessa defekter, och genererar därmed spiralformade vågor.

"Vi letar efter vågor med en sorts perfekt lock, och för att skapa locket måste vi ge dem något att krascha in i, som i vårt fall är magnetiska monopoler, " sa Argonne materialforskare Charudatta (C.D.) Phatak.

Anledningen till att forskare är så intresserade av spiralformade vågor är att de har en egenskap som kallas orbital rörelsemängd. Att känna till rörelsemängden i en elektronstråle gör att forskare kan undersöka det magnetiska beteendet hos material på atomnivå genom att bestämma en atomegenskap som kallas det magnetiska momentet.

"Om vi ​​kan se materialets magnetiska ögonblick, vi kan bygga en beskrivning av materialets totala magnetiska egenskaper, och hur materialet kommer att visa sina elektroniska och magnetiska egenskaper, " sa Phatak.

På det här sättet, den omformade elektronstrålen kan vara användbar för att studera material där spinn och magnetisering spelar en avgörande roll, potentiellt bana väg för nya former av elektronisk utrustning.

Att ha tillgång till informationen kodad av orbital vinkelmoment kommer också att göra det möjligt för forskare att bättre förstå nyanserna av kirala material, som har en sorts vänster- eller högerhänthet som bestämmer deras egenskaper.

Nätet av defekter kan sättas in i vilket transmissionselektronmikroskop som helst för att ge ett direkt sätt att avbilda provet. "Människor brukar inte tänka på att modifiera själva balkprofilen på det här sättet, " sa Phatak.

I nästa fas av experimentet, Phatak förklarade att forskarna kan försöka ersätta näten på magnetiska öar med solenoider, eller trådspolar som kan fungera som elektromagneter. Att använda solenoider skulle möjliggöra skapandet av mer exakt avstämda magnetiska defekter. "Just nu, på grund av arrangemanget av det magnetiska nätet, vi kan bara skapa defekter med en kumulativ magnetisering av två eller fyra, men solenoider skulle tillåta oss att ha ett mycket bredare spektrum av magnetiseringstillstånd, " sa Phatak.

Ett papper baserat på studien, "Direkta bevis på topologiska defekter i elektronvågor på grund av lokal magnetisk laddning i nanoskala, " dök upp i onlinenumret för 22 oktober av Nanobokstäver .