Wetenschappers hebben een driedimensionale beeldvormingstechniek ontwikkeld om complex gedrag in magneten te observeren, inclusief snel bewegende golven en 'tornado's' die duizenden malen dunner zijn dan een mensenhaar.

Het team, van de universiteiten van Cambridge en Glasgow in het VK en ETH Zürich en het Paul Scherrer Institute in Zwitserland, gebruikten hun techniek om te observeren hoe de magnetisatie zich gedraagt, de eerste keer dat dit in drie dimensies is gedaan. De techniek, zogenaamde tijdopgeloste magnetische laminografie, zou kunnen worden gebruikt om het gedrag van nieuwe soorten magneten te begrijpen en te controleren voor gegevensopslag en -verwerking van de volgende generatie. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Magneten worden veel gebruikt in toepassingen van dataopslag tot energieproductie en sensoren. Om te begrijpen waarom magneten zich gedragen zoals ze doen, het is belangrijk om de structuur van hun magnetisatie te begrijpen, en hoe die structuur reageert op veranderende stromen of magnetische velden.

"Tot nu, het is niet mogelijk geweest om daadwerkelijk te meten hoe magneten reageren op veranderende magnetische velden in drie dimensies, " zei Dr. Claire Donnelly van Cambridge's Cavendish Laboratory, en de eerste auteur van de studie. "We hebben dit gedrag alleen echt kunnen observeren in dunne films, die in wezen tweedimensionaal zijn, en die ons dus geen volledig beeld geven."

Verhuizen van twee dimensies naar drie is zeer complex, echter. Het modelleren en visualiseren van magnetisch gedrag is relatief eenvoudig in twee dimensies, maar in drie dimensies, de magnetisatie kan in elke richting wijzen en patronen vormen, dat is wat magneten zo krachtig maakt.

"Het is niet alleen belangrijk om te weten welke patronen en structuren deze magnetisatie vormt, maar het is essentieel om te begrijpen hoe het reageert op externe prikkels, "zei Donnelly. "Deze reacties zijn interessant vanuit een fundamenteel oogpunt, maar ze zijn cruciaal als het gaat om magnetische apparaten die worden gebruikt in technologie en toepassingen."

Een van de belangrijkste uitdagingen bij het onderzoeken van deze reacties hangt samen met de reden waarom magnetische materialen zo relevant zijn voor zoveel toepassingen:veranderingen in de magnetisatie zijn doorgaans extreem klein, en gebeurt extreem snel. Magnetische configuraties - zogenaamde domeinstructuren - vertonen kenmerken in de orde van tientallen tot honderden nanometers, duizenden keren kleiner dan de breedte van een mensenhaar, en reageren doorgaans in miljardsten van een seconde op magnetische velden en stromen.

Nutsvoorzieningen, Donnelly en haar medewerkers van het Paul Scherrer Instituut, de Universiteit van Glasgow en ETH Zürich hebben een techniek ontwikkeld om in een magneet te kijken, visualiseer de nanostructuur, en hoe het reageert op een veranderend magnetisch veld in drie dimensies, en op de vereiste grootte en tijdschema's.

De techniek die ze ontwikkelden, in de tijd opgeloste magnetische laminografie, maakt gebruik van krachtige röntgenstralen, synchrotron-röntgenstralen genaamd, om de magnetische toestand vanuit verschillende richtingen op nanoschaal te onderzoeken, en hoe het verandert in reactie op een snel wisselend magnetisch veld. De resulterende zevendimensionale dataset (drie dimensies voor de positie, drie voor de richting en één voor de tijd) wordt vervolgens verkregen met behulp van een speciaal ontwikkeld reconstructie-algoritme, het verstrekken van een kaart van de magnetisatiedynamiek met een temporele resolutie van 70 picoseconden, en een ruimtelijke resolutie van 50 nanometer.

Wat de onderzoekers met hun techniek zagen, was als een storm op nanoschaal:patronen van golven en tornado's die heen en weer bewogen terwijl het magnetische veld veranderde. De beweging van deze tornado's, of draaikolken, was voorheen alleen in twee dimensies waargenomen.

De onderzoekers testten hun techniek met conventionele magneten, maar ze zeggen dat het ook nuttig kan zijn bij de ontwikkeling van nieuwe soorten magneten die nieuwe soorten magnetisme vertonen. Deze nieuwe magneten, zoals 3D-geprinte nanomagneten, kan nuttig zijn voor nieuwe soorten high-density, zeer efficiënte gegevensopslag en -verwerking.

"We kunnen nu de dynamiek onderzoeken van nieuwe soorten systemen die nieuwe toepassingen kunnen openen waar we nog niet eens aan hadden gedacht, "zei Donnelly. "Deze nieuwe tool zal ons helpen begrijpen, en controle, hun gedrag."