Kommer snart till en labbskiva nära dig:en metod för magneto-termisk avbildning som erbjuder nanoskala och pikosekundupplösning som tidigare endast var tillgänglig i synkrotronanläggningar.

Denna innovation inom rumslig och tidsmässig upplösning kommer att ge forskare enastående syn på de magnetiska egenskaperna hos en rad material, från metaller till isolatorer, allt från bekvämligheten av deras labb, potentiellt öka utvecklingen av magnetiska lagringsenheter.

"Magnetisk röntgenmikroskopi är en relativt sällsynt fågel, " sa Greg Fuchs, docent i tillämpad och teknisk fysik, som ledde projektet. "De magnetiska mikroskopier som kan göra den här typen av rumslig och tidsmässig upplösning är väldigt få och långt mellan. Normalt, du måste välja antingen rumslig eller tidsmässig. Du kan inte få dem båda. Det finns bara ungefär fyra eller fem platser i världen som har den förmågan. Så att ha förmågan att göra det på en bordsskiva möjliggör verkligen spindynamik på nanoskala för forskning."

Hans lags papper, "Magnetisering i nanoskala och strömavbildning med tidsupplöst magnetotermisk mikroskopi med skanningssond, " publicerades den 8 juni i American Chemical Societys tidskrift Nanobokstäver . Huvudförfattare är postdoktorn Chi Zhang.

Uppsatsen är kulmen på en nästan 10-årig ansträngning av Fuchs-gruppen för att utforska magnetisk avbildning med magneto-termisk mikroskopi. Istället för att spränga ett material med ljus, elektroner eller röntgenstrålar, forskarna använder en laser fokuserad på skanningssonden för att applicera värme på en mikroskopisk sträng av ett prov och mäta den resulterande elektriska spänningen för lokal magnetisk information.

Fuchs och hans team banade väg för detta tillvägagångssätt och har under åren utvecklat en förståelse för hur temperaturgradienter utvecklas i tid och rum.

"Du tänker på värme som en mycket långsam, diffusiv process, " sa Fuchs. "Men i själva verket, diffusion på nanometerlängdsskalor har pikosekundtider. Och det är en nyckelinsikt. Det är det som ger oss tidsupplösningen. Ljus är en våg och diffrakterar. Den vill inte leva nere på dessa mycket små längdskalor. Men värmen kan."

Gruppen har tidigare använt tekniken för att avbilda och manipulera antiferromagnetiska material - som är svåra att studera eftersom de inte producerar ett magnetfält - såväl som magnetiska metaller och isolatorer.

Även om det är lätt nog att fokusera en laser, det stora hindret har varit att begränsa det ljuset och generera tillräckligt med värme på en nanometerskala för att få processen att fungera. Och eftersom vissa fenomen i den skalan inträffar så snabbt, avbildningen måste vara lika snabb.

"Det finns många situationer inom magnetism där saker vickar, och den är liten. Och det här är i princip vad du behöver, sa Fuchs.

Nu när de har förfinat processen och framgångsrikt uppnått en rumslig upplösning på 100 nanometer och en tidsupplösning under 100 pikosekunder, teamet kan utforska magnetismens verkliga detaljer, som skyrmions, kvasipartiklar där den magnetiska ordningen är vriden. Att förstå dessa typer av "snurrstrukturer" kan leda till ny höghastighet, högdensitetsmagnetisk lagring och logikteknik.

Förutom magnetism, Teknikens beroende av elektrisk spänning gör att den kan användas för att mäta strömtäthet när spänningen samverkar med ett material. Detta är ett nytt tillvägagångssätt, eftersom andra bildtekniker mäter ström genom att mäta magnetfältet som strömmen producerar, inte själva strömmen.

Magnetotermisk mikroskopi har begränsningar. Eftersom prover måste konfigureras med elektriska kontakter, materialet måste mönstras till en enhet. Som ett resultat, tekniken kan inte tillämpas på bulkprover. Också, enheten och skanningssonden måste skalas ihop. Så om du vill mäta ett fenomen på nanoskala, urvalet måste vara litet.

Men dessa begränsningar är små jämfört med fördelarna med en relativt billig form av magneto-termisk mikroskopi i ditt eget labb.

"Just nu, människor måste gå till en offentlig anläggning, som en synkrotronanläggning, för att göra dessa typer av mätningar, " sa Zhang. "Du skriver ett förslag, du får en stråletid, och du har kanske några veckor på dig att jobba, i bästa fall. Om du inte fick det resultat du vill ha, sen är det kanske ett par månader till. Så det här kommer att vara framsteg för fältet."