Magneten zijn te vinden in motoren, in energieproductie en in dataopslag. Een dieper begrip van de basiseigenschappen van magnetische materialen zou daarom onze dagelijkse technologie kunnen beïnvloeden. Een studie door wetenschappers van het Paul Scherrer Instituut PSI in Zwitserland, de ETH Zürich en de Universiteit van Glasgow hebben het potentieel om dit begrip te bevorderen.

De onderzoekers hebben voor het eerst de richtingen van de magnetisatie in een object zichtbaarder gemaakt dan ooit tevoren in 3D en tot tienduizend keer kleiner dan een millimeter (100 nanometer). Ze waren in staat om de driedimensionale opstelling van de magnetische momenten in kaart te brengen. Deze kunnen worden gezien als kleine magnetische kompasnaalden in het materiaal die samen de magnetische structuur bepalen. De wetenschappers bereikten hun visualisatie in een gadolinium-kobaltmagneet met behulp van een experimentele beeldvormingstechniek genaamd harde röntgenmagnetische tomografie die werd ontwikkeld bij PSI. Het resultaat onthulde intrigerende verwevenheidspatronen en, binnen hen, zogenaamde Bloch-punten. Op een Bloc-punt, de magnetische naalden veranderen abrupt van richting. Bloch-punten werden theoretisch voorspeld in 1965, maar zijn nu pas direct waargenomen met deze nieuwe metingen. De onderzoekers publiceerden hun studie in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuur .

Een team van wetenschappers van het Paul Scherrer Instituut PSI, de ETH Zürich en de Universiteit van Glasgow hebben voor het eerst de magnetische structuur in een klein 3D-object op nanometerschaal kunnen afbeelden. De magnetische structuur is een opstelling van magnetische momenten, die elk kunnen worden gezien als een kleine magnetische kompasnaald. Het bestudeerde object was een pilaar ter grootte van een micrometer (duizendste millimeter in diameter) gemaakt van het materiaal gadolinium-kobalt, die werkt als een ferromagneet. daarbinnen, de wetenschappers visualiseerden de magnetische patronen die voorkomen op een schaal die tienduizend keer kleiner is dan een millimeter – met andere woorden, het kleinste detail dat ze in hun 3D-beelden zichtbaar konden maken, was ongeveer 100 nanometer. De geavanceerde beeldvorming werd bereikt door een techniek die harde röntgenmagnetische tomografie wordt genoemd en die nieuw is ontwikkeld bij PSI in de loop van deze proof-of-principle-studie.

Tot nu toe, het afbeelden van magnetisme en magnetische patronen op deze kleine schaal kon alleen worden gedaan in dunne films of op de oppervlakken van objecten, legt Laura Heyderman uit, hoofdonderzoeker van het onderzoek, onderzoeker bij PSI en professor aan ETH Zürich. We hebben echt het gevoel dat we in het magnetische materiaal duiken, het zien en begrijpen van de 3D-opstelling van de kleine magnetische kompasnaalden. Deze kleine naalden 'voelen' elkaar en zijn dus niet willekeurig georiënteerd, maar vormen in plaats daarvan goed gedefinieerde patronen door het hele magnetische object.

Magnetische basisstructuren en eerste visualisatie van Bloch-punten

De wetenschappers realiseerden zich al snel dat de magnetische patronen bestonden uit verwarde fundamentele magnetische structuren:ze herkenden domeinen, met andere woorden, gebieden van homogene magnetisatie, en domeinmuren, de grenzen die twee verschillende domeinen scheiden. Ze observeerden ook magnetische wervels, die een structuur hebben die analoog is aan die van tornado's, en al deze structuren zijn met elkaar verweven om een ​​complex en uniek patroon te creëren. Het was logisch om deze basale en bekende structuren samen te zien komen in een complex 3D-netwerk, en het was erg mooi en de moeite waard, zegt Claire Donnelly, eerste auteur van de studie.

Eén specifiek soort patroon viel op en gaf extra betekenis aan de resultaten van de wetenschappers:een paar magnetische singulariteiten, zogenaamde Bloch-punten. Blochpunten bevatten een oneindig klein gebied waarbinnen de magnetische kompasnaalden abrupt van richting veranderen. Singulariteiten in het algemeen hebben wetenschappers in verschillende onderzoeksgebieden gefascineerd. Bekende voorbeelden zijn zwarte gaten in de ruimte. Bij ferromagneten, de magnetisatie kan in het algemeen als continu worden beschouwd op nanoschaal. Bij deze singulariteiten echter, deze beschrijving valt uiteen, zegt Sebastian Gliga van de Universiteit van Glasgow en gastwetenschapper bij PSI. Bloch-punten vormen monopolen van de magnetisatie en hoewel ze meer dan 60 jaar geleden voor het eerst werden voorspeld, ze zijn nooit direct waargenomen.

Magnetische röntgentomografie:3D-mapping met resolutie op nanoschaal

De experimentele techniek van magnetische röntgentomografie die in dit onderzoek wordt gebruikt, is gebaseerd op een basisprincipe uit computertomografie (CT). Net als bij medische CT-scans, veel röntgenfoto's van het monster worden achter elkaar genomen vanuit veel verschillende richtingen met een kleine hoek tussen aangrenzende afbeeldingen. De metingen werden uitgevoerd aan de cSAXS-bundellijn van de synchrotron-lichtbron SLS bij PSI met behulp van geavanceerde instrumentatie voor röntgennanotomografie in het kader van het OMNY-project en een recent ontwikkelde beeldvormingstechniek genaamd ptychografie. Gebruikmakend van computerberekeningen en een nieuw reconstructie-algoritme ontwikkeld bij PSI, alle op deze manier verzamelde gegevens werden gecombineerd om de uiteindelijke 3D-kaart van de magnetisatie te vormen.

De wetenschappers gebruikten bij PSI zogenaamde 'harde' röntgenstralen van de SLS. In vergelijking met 'zachte' röntgenstralen, harde röntgenstralen hebben een hogere energie. Zachte röntgenstralen met lagere energie zijn al zeer succesvol gebruikt om een ​​vergelijkbare kaart van de magnetische momenten te verkrijgen, Claire Donnelly legt het uit. Maar zachte röntgenstralen dringen nauwelijks door in dergelijke monsters, dus je kunt ze alleen gebruiken om de magnetisatie van een dunne film of aan het oppervlak van een bulkobject te zien. Om echt in hun magneet te duiken, de PSI-wetenschappers kozen voor harde röntgenstralen met hogere energie, tegen de prijs van het verkrijgen van een veel zwakker signaal:veel mensen geloofden niet dat we deze magnetische 3D-beeldvorming met harde röntgenstralen zouden kunnen bereiken, Laura Heyderman herinnert zich.

De magneten van de toekomst op maat maken

De onderzoekers zien hun prestatie als een bijdrage aan een dieper begrip van de basiseigenschappen van magnetische materialen. Bovendien, de mogelijkheid om binnen magneten een afbeelding te maken, kan worden toegepast op veel van de huidige technologische problemen:magneten worden gevonden in motoren, in energieproductie en in gegevensopslag - het creëren van betere magneten heeft dus een enorm potentieel om veel dagelijkse toepassingen te verbeteren.