Forskare har utvecklat en tredimensionell bildteknik för att observera komplexa beteenden i magneter, inklusive snabbrörliga vågor och "tornados" tusentals gånger tunnare än ett människohår.

Laget, från universiteten i Cambridge och Glasgow i Storbritannien och ETH Zürich och Paul Scherrer Institute i Schweiz, använde sin teknik för att observera hur magnetiseringen beter sig, första gången detta har gjorts i tre dimensioner. Tekniken, kallas tidsupplöst magnetisk laminografi, skulle kunna användas för att förstå och kontrollera beteendet hos nya typer av magneter för nästa generations datalagring och bearbetning. Resultaten redovisas i tidskriften Naturens nanoteknik .

Magneter används ofta i applikationer från datalagring till energiproduktion och sensorer. För att förstå varför magneter beter sig som de gör, det är viktigt att förstå strukturen av deras magnetisering, och hur den strukturen reagerar på förändrade strömmar eller magnetfält.

"Tills nu, det har inte varit möjligt att faktiskt mäta hur magneter reagerar på förändrade magnetfält i tre dimensioner, " sa Dr Claire Donnelly från Cambridges Cavendish Laboratory, och studiens första författare. "Vi har bara verkligen kunnat observera dessa beteenden i tunna filmer, som i huvudsak är tvådimensionella, och som därför inte ger oss en komplett bild."

Att gå från två dimensioner till tre är mycket komplicerat, dock. Att modellera och visualisera magnetiskt beteende är relativt enkelt i två dimensioner, men i tre dimensioner, magnetiseringen kan peka i vilken riktning som helst och bilda mönster, vilket är det som gör magneter så kraftfulla.

"Det är inte bara viktigt att veta vilka mönster och strukturer denna magnetisering bildar, men det är viktigt att förstå hur det reagerar på yttre stimuli, " sa Donnelly. "Dessa svar är intressanta ur en grundläggande synvinkel, men de är avgörande när det kommer till magnetiska enheter som används i teknik och applikationer."

En av de största utmaningarna i att undersöka dessa svar är knuten till just anledningen till att magnetiska material är så relevanta för så många tillämpningar:förändringar i magnetiseringen är vanligtvis extremt små, och går extremt snabbt. Magnetiska konfigurationer - så kallade domänstrukturer - uppvisar egenskaper i storleksordningen tiotals till hundratals nanometer, tusentals gånger mindre än bredden på ett människohår, och reagerar vanligtvis på magnetfält och strömmar i miljarddelar av en sekund.

Nu, Donnelly och hennes medarbetare från Paul Scherrer Institute, University of Glasgow och ETH Zürich har utvecklat en teknik för att titta inuti en magnet, visualisera dess nanostruktur, och hur det reagerar på ett föränderligt magnetfält i tre dimensioner, och i den storlek och tidsskalor som krävs.

Tekniken de utvecklade, tidsupplöst magnetisk laminografi, använder kraftfulla röntgenstrålar som kallas synkrotronröntgenstrålar för att undersöka det magnetiska tillståndet från olika riktningar på nanoskala, och hur det förändras som svar på ett snabbt växlande magnetfält. Den resulterande sjudimensionella datamängden (tre dimensioner för positionen, tre för riktningen och en för tiden) erhålls sedan med en specialutvecklad rekonstruktionsalgoritm, tillhandahåller en karta över magnetiseringsdynamiken med 70 pikosekunders tidsupplösning, och 50 nanometer rumslig upplösning.

Det som forskarna såg med sin teknik var som en nanostorm:mönster av vågor och tornados som rörde sig sida till sida när magnetfältet förändrades. Rörelsen av dessa tornados, eller virvlar, hade tidigare bara observerats i två dimensioner.

Forskarna testade sin teknik med hjälp av konventionella magneter, men de säger att det också kan vara användbart i utvecklingen av nya typer av magneter som uppvisar nya typer av magnetism. Dessa nya magneter, som 3-D-tryckta nanomagneter, kan vara användbart för nya typer av högdensitet, högeffektiv datalagring och bearbetning.

"Vi kan nu undersöka dynamiken i nya typer av system som kan öppna upp nya applikationer som vi inte ens har tänkt på, " sa Donnelly. "Detta nya verktyg kommer att hjälpa oss att förstå, och kontroll, deras beteende."