Todo el mundo sabe que mantener juntos dos imanes dará lugar a uno de dos resultados: se mantienen unidos o se separan entre sí. Desde esta perspectiva, el magnetismo parece simple, pero los científicos han luchado durante décadas para comprender realmente cómo se comporta el magnetismo en las escalas más pequeñas. En un nivel casi atómico, el magnetismo está formado por muchos reinos en constante cambio, llamados dominios magnéticos, que crean las propiedades magnéticas del material. Si bien los científicos saben que existen estos dominios, todavía están buscando las razones detrás de este comportamiento.

Ahora, una colaboración liderada por científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el Instituto Max Born (MBI) publicó un estudio en Nature en el que utilizó una técnica de análisis novedosa, llamada imagen de correlación coherente (CCI), para obtener imágenes de la evolución de los dominios magnéticos en el tiempo y el espacio sin ningún conocimiento previo. Los científicos no pudieron ver el « baile de los dominios » durante la medición, sino solo después, cuando usaron los datos registrados para « rebobinar la cinta ».

La « película » de los dominios muestra cómo los límites de estos dominios se mueven hacia adelante y hacia atrás en algunas áreas, pero se mantienen constantes en otras. Los investigadores atribuyen este comportamiento a una propiedad del material llamada « fijación ». Si bien la fijación es una propiedad conocida de los materiales magnéticos, el equipo pudo obtener una imagen directa por primera vez de cómo una red de sitios de fijación afecta el movimiento de las paredes de dominio interconectadas.

« Muchos detalles sobre los cambios en los materiales magnéticos solo son accesibles a través de imágenes directas, lo que no podíamos hacer hasta ahora. Es básicamente un sueño hecho realidad para estudiar el movimiento magnético en los materiales », dijo Wen Hu, científico de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón. II (NSLS-II) y coautor correspondiente del estudio.

Los investigadores esperan que CCI ayude a desbloquear otras propiedades del microcosmos del magnetismo, como los grados de libertad o las simetrías ocultas, que antes no eran accesibles a través de otras técnicas. La utilidad de CCI también representa un gran avance más allá de los materiales magnéticos, ya que la técnica se puede transferir a diferentes técnicas de medición y áreas de investigación. Un área que podría beneficiarse más al comprender el movimiento de los dominios magnéticos en la nanoescala (¡un nanómetro equivale a 0,000000038 pulgadas ! ) es la computación novedosa. La nueva tecnología de memoria podría aprovechar dominios magnéticos especiales llamados « skyrmions ».

« Los skyrmions son interesantes para la computación de inteligencia artificial porque poseen una propiedad similar a nuestra memoria a corto plazo », dijo Felix Büttner, líder de grupo en Helmholtz-Zentrum Berlin, profesor de la Universidad de Augsburgo y corresponsal del estudio. « En las arquitecturas informáticas actuales todo es lineal, lo que significa que la memoria está separada del procesador. Esto no es un problema para la mayoría de las aplicaciones pero, por ejemplo, dificulta el reconocimiento de voz. En el reconocimiento de voz, la parte informática solo procesa la información entrante ». palabras, pero no recuerda lo que se ha dicho anteriormente. Además, enviar esa información desde la memoria requiere mucha energía. Mediante el uso de skyrmions, podemos aprovechar su memoria a corto plazo de alguna manera y evitar estos asuntos. »

Sin embargo, antes de que los ingenieros y científicos puedan desarrollar tecnología que utilice esta función, primero deben comprender cómo manipular skyrmions y otros dominios magnéticos. Esta fue la intención cuando se formó la colaboración entre NSLS-II, el grupo de Geoffrey Beach en el MIT y MBI. Querían investigar cómo los skyrmions en sus dispositivos magnéticos reaccionaban a estímulos externos, específicamente en un campo magnético externo. HZB se unió a la colaboración cuando Büttner se mudó del MIT a Berlín.

« En 2018, tuvimos tiempo de medición en la línea de luz Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) en NSLS-II; sin embargo, la cámara experimental que queríamos usar no estaba lista. Eso significaba que no teníamos el campo magnético externo, pero teníamos un plan de respaldo para estudiar el movimiento térmico », dijo Hu, quien es parte del equipo de la línea de luz CSX.

Büttner agregó : « Esperaba que este experimento fuera otro experimento de demostración, pero nada más. Para ser honesto, me sorprendió que vimos movimiento térmico. Estudiamos el mismo dispositivo a temperatura ambiente y apenas vimos movimiento térmico. Esta vez estudiamos a 310 Kelvin, que es alrededor de 98 Fahrenheit, y vimos mucho más. ¡Eso fue sorprendente ! Y fue solo el comienzo ».

Cómo un plan alternativo conduce a conocimientos ocultos

En su experimento, el equipo utilizó rayos X coherentes de la línea de luz CSX para tomar una serie de instantáneas de los dominios magnéticos. CSX es parte del conjunto avanzado de herramientas de investigación disponibles en NSLS-II para estudiar materiales. El equipo de investigación usó la línea de luz en una configuración de holografía para tomar las imágenes. En la mayoría de los experimentos de holografía, los científicos toman una imagen cada tres o cuatro segundos, sin embargo, el detector rápido en la línea de luz CSX permitió al equipo tomar hasta 100 imágenes por segundo.

« Después de la medición, comenzamos un análisis de datos normal sumando 200 imágenes. Una vez que hicimos esto, nos dimos cuenta de que el sistema cambiaba mucho más rápido de lo que esperábamos. La temperatura realmente influyó en la física de la muestra », dijo Christopher Klose, PhD. estudiante del MBI y primer autor del estudio. « Fue una verdadera sorpresa y el comienzo de nuestro desarrollo de nuestra técnica de posprocesamiento, imágenes de correlación coherente (CCI), para que pudiéramos resolver este movimiento rápido ».

Después de esta comprensión inicial, el equipo decidió profundizar en los datos. Sabían que los detalles sobre los movimientos del dominio estaban codificados en sus datos. Si bien no existía una técnica de análisis de datos para resolver su problema, pudieron encontrar algoritmos que pudieran adaptarse. En el transcurso de tres años, el equipo desarrolló el nuevo algoritmo que impulsa la nueva técnica CCI.

« Hubo muchos desafíos. Para desarrollar CCI, combinamos el análisis de la función de correlación conocida de la espectroscopia de correlación de fotones de rayos X (XPCS) con la holografía, que es una técnica de imagen. Un problema fue que los datos de la holografía no eran adecuados para el análisis XPCS. « , dijo Klose.

Cuando los rayos X golpean las muestras en estos experimentos, se dispersan tanto en los dominios magnéticos como en una máscara holográfica que define el campo de visión. El detector registra todos los rayos X dispersos independientemente de su origen. Pero el equipo solo está interesado en la dispersión magnética. Por lo tanto, necesitaban limpiar los datos antes de poder calcular las funciones de correlación.

« Una vez que tuvimos la función de correlación, pudimos comparar todos esos cuadros entre sí para encontrar otros similares. Eso también requirió un nuevo algoritmo porque teníamos casi 30 000 cuadros para clasificar », continuó Klose.

Este desafío requería un algoritmo que pudiera catalogar los estados de los dominios para cada cuadro. Este algoritmo sería un verdadero cambio de juego para esta tarea porque podría ordenar estos estados de una manera que ningún ser humano podría lograr.

Cómo la fijación da forma al paisaje magnético

Después de que el equipo clasificó sus datos usando CCI, se pusieron a trabajar en la interpretación. Las imágenes reconstruidas mostraban dominios en blanco y negro esparcidos por su dispositivo. Pero algunos de estos bordes, o muros de dominio, se movieron de un lado a otro entre los marcos, mientras que otros en su mayoría permanecieron donde estaban. La pregunta : ¿qué estaban viendo los investigadores y qué significaba esto para los skyrmions y los dominios magnéticos?

« Los skyrmions son pequeños objetos esféricos, comparables a las bolas en una mesa de billar. En nuestro caso, la energía térmica los hace deambular alrededor de la mesa. Ahora, si la mesa de billar tiene alfileres, la superficie no es lisa, sino que es un paisaje montañoso. Tenemos dos tipos de sitios de fijación : atractivos y repulsivos. Los primeros son valles y los segundos son colinas. En ese caso, los skyrmions descansarían en los valles « atractivos ». Si quisieran moverse, necesitaría superar las laderas de las colinas « repulsivas », dijo Büttner.

Los investigadores encontraron que las paredes del dominio se comportan como bandas elásticas. Se pueden fijar y luego oscilar hacia adelante y hacia atrás como una cuerda de guitarra. Mientras que los sitios atractivos pueden acomodar las paredes del dominio, los sitios repulsivos inhiben el movimiento de las paredes del dominio. Sería necesario levantar un muro de dominio sobre el sitio repulsivo. No puede deambular por él. Esto explica por qué los científicos vieron que algunas paredes de dominio cambiaban constantemente, mientras que otras apenas se movían. Estos últimos estaban rodeados de sitios repulsivos.

« CCI nos dio la herramienta para ver este movimiento a lo largo del tiempo. Básicamente, pudimos hacer una pequeña película sobre cómo cambian estos dominios. Este experimento nos permitió ver este tipo de comportamiento fluctuante y su causa por primera vez », dijo Hu. « No esperábamos que esta colaboración condujera a la invención de una nueva técnica que beneficiaría ampliamente a otros usuarios e investigadores que estudian la dinámica ».

Büttner agregó : « Necesitábamos casi un año para comprender completamente la física que habíamos encontrado y desarrollar una explicación para la dinámica que vimos. En retrospectiva, el experimento en sí fue la parte más fácil de todo. El verdadero trabajo fue el desarrollo de la técnica y luego la explicación de la física ».

Los investigadores acordaron que un ingrediente clave para este avance fue el diverso equipo de expertos que habían reunido para esta tarea. Esperan que muchos otros grupos de investigación se beneficien de CCI. Mientras se preparan para aplicar CCI a una gama más amplia de dinámicas previamente inaccesibles, además de expandir la técnica a otras fuentes de rayos X, también están trabajando en implementar el aprendizaje automático para hacer que el análisis CCI sea menos manual y más accesible mediante un enfoque aún más amplio. comunidad.

El equipo de este trabajo estuvo formado por Christopher Klose, Michael Schneider, Stefan Eisebitt y Bastian Pfau del Max Born Institute, Felix Büttner y Riccardo Battistelli del Helmholtz-Zentrum Berlin, Wen Hu, Claudio Mazzoli, Andi Barbour y Stuart B. Wilkins de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II en el Laboratorio Nacional Brookhaven, Kai Litzius, Ivan Lemesh, Jason M. Bartell, Mantao Huang y Geoffrey SD Beach del Instituto Tecnológico de Massachusetts, Christian M. Günther de la Technische Universität Berlin.

NSLS-II es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ubicada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE.