Struttura magnetica interna vorticosa. Una sezione del campione indagato, che è un pilastro di gadolinio-cobalto di diametro 0,005 millimetri (5 micrometri), è mostrato. Con la tomografia magnetica, gli scienziati hanno determinato la sua struttura magnetica interna. Qui, la magnetizzazione è rappresentata da frecce per una fetta orizzontale all'interno del pilastro. Inoltre, il colore delle frecce indica se sono rivolte verso l'alto (arancione) o verso il basso (viola). Credito:Paul Scherrer Institute/Claire Donnelly
I magneti si trovano nei motori, nella produzione di energia e nell'archiviazione dei dati. Una comprensione più profonda delle proprietà di base dei materiali magnetici potrebbe quindi avere un impatto sulla nostra tecnologia quotidiana. Uno studio di scienziati del Paul Scherrer Institute PSI in Svizzera, l'ETH di Zurigo e l'Università di Glasgow hanno il potenziale per favorire questa comprensione.
I ricercatori hanno per la prima volta reso visibili le direzioni della magnetizzazione all'interno di un oggetto più spesso che mai in 3-D e fino a dettagli diecimila volte più piccoli di un millimetro (100 nanometri). Sono stati in grado di mappare la disposizione tridimensionale dei momenti magnetici. Questi possono essere pensati come minuscoli aghi di bussola magnetica all'interno del materiale che definiscono collettivamente la sua struttura magnetica. Gli scienziati hanno ottenuto la loro visualizzazione all'interno di un magnete in gadolinio-cobalto utilizzando una tecnica di imaging sperimentale chiamata tomografia magnetica a raggi X duri sviluppata presso il PSI. Il risultato ha rivelato intriganti modelli di intreccio e, dentro di loro, i cosiddetti punti Bloch. In un punto Bloch, gli aghi magnetici cambiano bruscamente la loro direzione. I punti di Bloch sono stati previsti teoricamente nel 1965, ma solo ora sono stati osservati direttamente con queste nuove misurazioni. I ricercatori hanno pubblicato il loro studio sulla rinomata rivista scientifica Natura .
Un team di scienziati del Paul Scherrer Institute PSI, l'ETH di Zurigo e l'Università di Glasgow sono stati in grado per la prima volta di visualizzare la struttura magnetica all'interno di un piccolo oggetto 3-D su scala nanometrica. La struttura magnetica è una disposizione di momenti magnetici, ognuno dei quali può essere pensato come un minuscolo ago magnetico della bussola. L'oggetto studiato era un pilastro di dimensioni micrometriche (millesimo di millimetro di diametro) realizzato con il materiale gadolinio-cobalto, che si comporta come un ferromagnete. Al suo interno, gli scienziati hanno visualizzato i modelli magnetici che si verificano su una scala diecimila volte più piccola di un millimetro - in altre parole, il più piccolo dettaglio che potevano rendere visibile nelle loro immagini 3D era di circa 100 nanometri. L'imaging sofisticato è stato ottenuto con una tecnica chiamata tomografia magnetica a raggi X duri che è stata recentemente sviluppata al PSI nel corso di questo studio di prova del principio.
Fino ad ora, il magnetismo di imaging e i modelli magnetici su questa piccola scala potrebbero essere realizzati solo in pellicole sottili o sulle superfici degli oggetti, spiega Laura Heyderman, ricercatore principale dello studio, ricercatore al PSI e professore all'ETH di Zurigo. Ci sentiamo davvero come se stessimo immergendoci all'interno del materiale magnetico, vedere e comprendere la disposizione 3D dei minuscoli aghi della bussola magnetica. Questi minuscoli aghi si "sentono" l'un l'altro e quindi non sono orientati in modo casuale, ma invece formano modelli ben definiti in tutto l'oggetto magnetico.
Strutture magnetiche di base e prima visualizzazione dei punti Bloch
Una fetta verticale della struttura magnetica interna di una sezione campione. Il campione ha un diametro di 0,005 millimetri (5 micrometri) e la sezione mostrata qui è alta 0,0036 millimetri (3,6 micrometri). La struttura magnetica interna è rappresentata da frecce per una fetta verticale al suo interno. Inoltre, il colore delle frecce indica se puntano verso (arancione) o lontano dall'osservatore (viola). Credito:Paul Scherrer Institute/Claire Donnelly
Gli scienziati si sono presto resi conto che i modelli magnetici consistevano in strutture magnetiche fondamentali aggrovigliate:hanno riconosciuto domini, in altre parole, regioni di magnetizzazione omogenea, e muri di dominio, i confini che separano due diversi domini. Hanno anche osservato vortici magnetici, che hanno una struttura analoga a quella dei tornado, e tutte queste strutture si sono intrecciate per creare un modello complesso e unico. Vedere queste strutture di base e ben note riunirsi in una complessa rete 3D aveva un senso ed è stato molto bello e gratificante, dice Claire Donnelly, primo autore dello studio.
Un tipo specifico di schema si è distinto e ha dato ulteriore significato ai risultati degli scienziati:una coppia di singolarità magnetiche, i cosiddetti punti Bloch. I punti Bloch contengono una regione infinitamente piccola all'interno della quale gli aghi della bussola magnetica cambiano bruscamente la loro direzione. Le singolarità in generale hanno affascinato gli scienziati in una varietà di campi di ricerca. Esempi ben noti sono i buchi neri nello spazio. Nei ferromagneti, la magnetizzazione può generalmente essere considerata continua su scala nanometrica. A queste singolarità, però, questa descrizione si rompe, dice Sebastian Gliga dell'Università di Glasgow e visiting scientist al PSI. I punti di Bloch costituiscono monopoli della magnetizzazione e sebbene siano stati previsti per la prima volta oltre 60 anni fa, non sono mai stati osservati direttamente.
Tomografia magnetica a raggi X:mappatura 3D con risoluzione su scala nanometrica
La tecnica sperimentale della tomografia magnetica a raggi X impiegata in questo studio si basa su un principio di base della tomografia computerizzata (TC). Simile alle scansioni TC mediche, molte immagini a raggi X del campione vengono prese una dopo l'altra da molte direzioni diverse con un piccolo angolo tra le immagini adiacenti. Le misurazioni sono state effettuate presso la linea di luce cSAXS della sorgente di luce di sincrotrone SLS al PSI utilizzando strumentazione avanzata per la nanotomografia a raggi X nell'ambito del progetto OMNY e una tecnica di imaging di recente sviluppo chiamata pticografia. Utilizzando calcoli al computer e un nuovo algoritmo di ricostruzione sviluppato al PSI, tutti i dati raccolti in questo modo sono stati combinati per formare la mappa tridimensionale finale della magnetizzazione.
Rappresentazione di un punto di Bloch che gli scienziati hanno trovato nei loro dati. Un punto di Bloch contiene una singolarità magnetica in corrispondenza della quale la magnetizzazione cambia bruscamente direzione. All'interno del punto di Bloch mostrato qui, questo cambio di direzione è da aghi magnetici rivolti verso l'alto – visualizzati da frecce – a quelli rivolti verso il basso. Questa singolarità è circondata da un modello di magnetizzazione vorticoso che è analogo alla struttura di un tornado. Credito:Paul Scherrer Institute/Claire Donnelly
Gli scienziati hanno impiegato i cosiddetti raggi X "duri" dall'SLS al PSI. Rispetto ai raggi X "molli", i raggi X duri hanno un'energia maggiore. I raggi X molli a energia inferiore sono già stati utilizzati con successo per ottenere una mappa simile dei momenti magnetici, Claire Donnelly spiega. Ma i raggi X molli penetrano a malapena tali campioni, quindi puoi usarli solo per vedere la magnetizzazione di un film sottile o sulla superficie di un oggetto sfuso. Per immergersi davvero nella loro calamita, gli scienziati del PSI hanno scelto raggi X duri di energia superiore, al prezzo di ottenere un segnale molto più debole:molte persone non credevano che saremmo stati in grado di ottenere questa immagine magnetica 3D con raggi X duri, Ricorda Laura Heyderman.
Personalizzare i magneti del futuro
I ricercatori vedono il loro risultato come un contributo a una comprensione più profonda delle proprietà di base dei materiali magnetici. Inoltre, la capacità di visualizzare l'immagine all'interno dei magneti potrebbe essere applicata a molti dei problemi tecnologici odierni:i magneti si trovano nei motori, nella produzione di energia e nell'archiviazione dei dati:la creazione di magneti migliori ha quindi un enorme potenziale di miglioramento di molte applicazioni quotidiane.
