Omdat er tijd was gepland om een ​​bepaalde bundellijn te gebruiken bij de National Synchrotron Light Source-II (NSLS-II), stonden wetenschappers van NSLS-II en hun partnerinstellingen voor een uitdaging. Ze waren van plan een speciaal type gebied in magnetische materialen te onderzoeken dat nuttig zou kunnen zijn voor computers van de volgende generatie. Regio's in magnetische materialen, magnetische domeinen genoemd, bepalen de magnetische eigenschappen van een materiaal. De wetenschappers wilden bestuderen hoe deze magnetische domeinen in de loop van de tijd veranderden onder invloed van een extern magnetisch veld.

Maar de nieuw ontworpen experimentele kamer die de wetenschappers wilden gebruiken, was nog niet helemaal klaar. Gelukkig hadden de wetenschappers geen gebrek aan onderwerpen die ze wilden bestuderen.

Het NSLS-II-team schakelde over om een ​​zeer vergelijkbaar experiment uit te voeren over hetzelfde onderwerp, waarbij een andere kamer zou kunnen worden gebruikt. Wat ze ontdekten, leidde ertoe dat ze een geheel nieuwe techniek ontwikkelden om beelden te maken van magnetische materialen in ruimte en tijd. Deze techniek levert nu gedetailleerde inzichten op die voorheen nooit mogelijk waren.

NSLS-II is een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy (DOE) Office of Science in het Brookhaven National Laboratory. Het is een synchrotronlichtbron die röntgenstralen levert die 10 miljard keer helderder zijn dan de zon. De balken onthullen verbluffende detailniveaus in materialen. Ze stellen wetenschappers in staat te onderzoeken hoe deeltjes bewegen op nanoschaalniveau (een DNA-streng is 2,5 nanometer breed). Sommige bundellijnen kunnen tot 100 beelden per seconde opnemen.

In 2018 wilde het team oorspronkelijk een nieuw ontwikkeld instrument gebruiken voor de Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) bundellijn bij NSLS-II. Ze hoopten te onderzoeken hoe skyrmionen in magnetisch materiaal interageren met externe stimuli binnen een extern magnetisch veld. (Skyrmionen zijn een soort magnetisch domein.)

Omdat de kamer niet beschikbaar was, verlegde het NSLS-II-team de focus van hun experiment enigszins. Met röntgenstralen in een andere kamer op dezelfde bundellijn konden ze vergelijkbare materialen onder verschillende omstandigheden onderzoeken. Ze wilden het effect van thermische beweging (willekeurige beweging veroorzaakt door temperatuur) op conventionele magnetische domeinen versterken.

De onderzoekers maakten een reeks beelden van de magnetische domeinen bij vaste temperaturen. Door deze beelden met elkaar te verbinden ontstond een korte film, zoals een flipbook. Het toonde de thermische beweging van de magnetische domeinen in evenwichtsomstandigheden.

De resultaten lieten iets onverwachts zien. De magnetische domeinen wekten de indruk repetitief rond bepaalde configuraties te dansen.

Het resultaat was zo intrigerend dat de onderzoekers meer wilden weten over wat ze zagen. Om zinvolle kennis uit de ‘dans’ van de domeinen te halen, realiseerden ze zich dat ze een geheel nieuwe techniek moesten ontwikkelen.

Het ontwikkelen van een nieuwe wetenschappelijke techniek is verre van eenvoudig. Eerst hebben de wetenschappers de gegevens van NSLS-II nog nader bekeken. Ze wisten dat ergens in al die gegevens de details zaten over hoe en waarom de magnetische domeinen zich bewogen zoals ze deden.

Maar voordat ze dat konden doen, moesten ze het zwakke signaal afkomstig van magnetische domeinen scheiden van alle informatie die door de röntgenstralen naar buiten werd gebracht.

Toen ze eenmaal de informatie hadden over de configuraties van de magnetische domeinen, vergeleken ze de stilstaande beelden van NSLS-II met elkaar. Ze moesten soortgelijke bij elkaar passen. Hoewel de enorme hoeveelheid gegevens die NSLS-II verzamelt een sterk punt kan zijn, zorgde het hier voor nog een uitdaging. Er waren bijna 30.000 afbeeldingen! Het waren er veel te veel voor één mens om allemaal door te nemen. De wetenschappers ontwikkelden nog een ander algoritme om dit aan te pakken.

Als resultaat van deze jaren van werk ontwikkelde het team een ​​geheel nieuwe machine en algoritme voor het maken van beelden van magnetische domeinen. Dit was nodig omdat veel van de veranderingen in magnetische materialen alleen zichtbaar zijn als je directe beelden maakt. Maar tot nu toe waren wetenschappers daar niet in geslaagd. Er was altijd een afweging tussen hoe gedetailleerd de afbeelding was en hoe vaak je foto's maakte om de 'film' van het materiaal te creëren. Eerdere technieken resulteerden in 'films' die te luidruchtig of te wazig waren.

Het NSLS-II-team gebruikte hun expertise op het gebied van röntgentechnieken om leiding te geven aan de ontwikkeling van een nieuwe techniek die dit conflict oploste. Het team noemde het coherente correlatiebeeldvorming. Zoals de auteurs zeggen in een artikel gepubliceerd in Nature onthulde de nieuwe techniek "de breedte van de onverwachte natuurkunde die verborgen is in fluctuerende toestanden van de materie."

Met deze nieuwe techniek in de hand kon het team de gegevens interpreteren. De zwart-witafbeeldingen die ze maakten, lieten de magnetische domeinen zien als klodders met ongelijke randen. De wetenschappers lieten de beelden zien als een film en zagen dat de grenzen van sommige domeinen heen en weer bewogen. Maar de grenzen van anderen bleven vrijwel geheel stil.

Het team realiseerde zich dat wat ze zagen een voorbeeld was van magnetisch 'vastzetten'. Wetenschappers wisten al dat vastzetten een eigenschap was van magnetische materialen. Dit was echter de eerste keer dat het mogelijk was om de pinning zo gedetailleerd te zien. Deze details onthulden hoe het vastzetten de configuratie van magnetische domeinen en hun repetitieve dans beïnvloedde.

De magnetische domeinen die skyrmionen worden genoemd, gedragen zich over het algemeen als ballen op een plat oppervlak. De willekeurige energie van atomen en moleculen zorgt er, net als windstoten, voor dat de domeinen over het oppervlak bewegen. Door het vastzetten ontstaan ​​er hobbels en dalen op dat vlakke oppervlak. Er zijn enkele locaties die zich gedragen als valleien, waar de magnetische domeinen eerder naar binnen "rollen". Er zijn andere sites die zich gedragen als heuvels waar de domeinen niet overheen kunnen.

Wat de wetenschappers zagen waren de grenzen van het magnetische domein die heen en weer zwaaiden, maar in hun configuratie beperkt werden door deze heuvels en valleien. De grenzen die behoorlijk verschoven waren, waren niet beperkt. Daarentegen werden de grenzen die nauwelijks bewogen, omringd door deze heuvelgedeelten die hen afstootten. De afbeelding hierboven is een compilatie van waar de grenzen van de magnetische domeinen zich ophoopten. De helderste gebieden zijn de plaatsen waar de domeingrenzen steeds opnieuw zijn verschoven. Het beperkte aantal beschikbare configuraties zorgde ervoor dat het systeem de beschikbare magnetische configuraties steeds opnieuw herhaalde. Het leek op schuifelende stappen in een repetitieve dans.

Coherente correlatiebeeldvorming stelde de wetenschappers niet alleen in staat deze verschuivingen voor het eerst te zien, maar ook uit te zoeken waarom ze plaatsvonden. Deze informatie is essentieel om uit te vinden hoe skyrmionen onder controle kunnen worden gehouden – het uiteindelijke doel van het oorspronkelijke onderzoek van meer dan zes jaar geleden. Skyrmions kunnen worden gebruikt op een manier die het menselijke kortetermijngeheugen nabootst, wat belangrijk zou kunnen zijn voor kunstmatige intelligentie.

Maar de toepassingen voor coherente correlatiebeeldvorming gaan veel verder dan skyrmionen. Deze techniek kan bruikbaar zijn voor allerlei soorten onderzoek naar faseovergangen in materialen. Voor magnetische domeinen heeft coherente correlatiebeeldvorming implicaties voor toekomstige elektronica en daarbuiten.

Uiteindelijk heeft het onderzoeksteam een ​​onverwachte uitdaging omgezet in een grote stap voorwaarts voor het materiaalonderzoek.

Meer informatie: Christopher Klose et al, Coherente correlatiebeeldvorming voor het oplossen van fluctuerende toestanden van materie, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-022-05537-9

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie