Con il tempo programmato per utilizzare una determinata linea di luce presso la National Synchrotron Light Source-II (NSLS-II), gli scienziati di NSLS-II e le loro istituzioni partner hanno dovuto affrontare una sfida. Avevano in programma di ricercare un tipo speciale di regione nei materiali magnetici che potrebbe essere utile per i computer di prossima generazione. Le regioni nei materiali magnetici, chiamate domini magnetici, determinano le proprietà magnetiche di un materiale. Gli scienziati volevano studiare come questi domini magnetici cambiassero nel tempo sotto l'influenza di un campo magnetico esterno.
Ma la camera sperimentale di nuova concezione che gli scienziati volevano utilizzare non era ancora del tutto pronta. Fortunatamente, agli scienziati non mancavano gli argomenti che volevano studiare.
Il team NSLS-II ha cambiato marcia per eseguire un esperimento molto simile sullo stesso soggetto che potrebbe utilizzare una camera diversa. Ciò che hanno scoperto li ha portati a sviluppare una tecnica completamente nuova per scattare immagini di materiali magnetici nello spazio e nel tempo. Questa tecnica ora fornisce approfondimenti dettagliati che non erano mai stati possibili prima.
NSLS-II è una struttura per gli utenti dell'Ufficio scientifico del Dipartimento dell'Energia (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory. È una sorgente di luce di sincrotrone che fornisce fasci di raggi X 10 miliardi di volte più luminosi del sole. Le travi rivelano livelli sbalorditivi di dettaglio nei materiali. Permettono agli scienziati di esaminare come le particelle si muovono a livello di nanoscala (un filamento di DNA è largo 2,5 nanometri). Alcune linee di luce possono richiedere fino a 100 immagini al secondo.
Nel 2018, il team inizialmente voleva utilizzare uno strumento di nuova concezione per la linea di luce Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) presso NSLS-II. Speravano di esaminare come gli skyrmion in un materiale magnetico interagiscono con gli stimoli esterni all'interno di un campo magnetico esterno. (Gli Skyrmion sono un tipo di dominio magnetico.)
Con la camera non disponibile, il team NSLS-II ha leggermente spostato il focus del proprio esperimento. Con i raggi X in una camera diversa sulla stessa linea di luce, potrebbero studiare materiali simili in condizioni diverse. Volevano migliorare l'effetto del movimento termico (movimento casuale indotto dalla temperatura) sui domini magnetici convenzionali.
I ricercatori hanno scattato una serie di immagini dei domini magnetici a temperature fisse. Collegando insieme queste immagini è stato creato un breve filmato, come un flipbook. Ha mostrato il moto termico dei domini magnetici in condizioni di equilibrio.
I risultati hanno mostrato qualcosa di inaspettato. I domini magnetici davano l'impressione di danzare in modo ripetitivo attorno a determinate configurazioni.
Il risultato è stato così intrigante che i ricercatori hanno voluto saperne di più su ciò che hanno visto. Per estrarre conoscenze significative dalla "danza" dei domini, si resero conto che avevano bisogno di sviluppare una tecnica completamente nuova.
Sviluppare una nuova tecnica scientifica è tutt’altro che facile. Innanzitutto, gli scienziati hanno esaminato ancora più da vicino i dati di NSLS-II. Sapevano che da qualche parte in tutti quei dati c'erano i dettagli su come e perché i domini magnetici si muovevano in quel modo.
Ma prima di poterlo fare, dovevano separare il debole segnale proveniente dai domini magnetici da tutte le informazioni emesse dai raggi X.
Una volta ottenute le informazioni sulle configurazioni dei domini magnetici, hanno confrontato tra loro le immagini fisse di NSLS-II. Avevano bisogno di abbinare insieme quelli simili. Sebbene l'immensa quantità di dati raccolti da NSLS-II possa rappresentare un punto di forza, in questo caso ha creato un'altra sfida. C'erano quasi 30.000 immagini! Erano troppi perché una persona potesse selezionarli. Gli scienziati hanno sviluppato ancora un altro algoritmo per affrontarlo.
Come risultato di questi anni di lavoro, il team ha sviluppato un macchinario e un algoritmo completamente nuovi per acquisire immagini di domini magnetici. Ciò era necessario perché molti dei cambiamenti nei materiali magnetici sono visibili solo se si scattano immagini dirette. Ma fino a questo punto gli scienziati non erano stati in grado di farlo. C'era sempre un compromesso tra il livello di dettaglio dell'immagine e la frequenza con cui si scattavano le immagini per creare il "filmato" del materiale. Le tecniche precedenti producevano "filmati" troppo rumorosi o troppo sfocati.
Il team NSLS-II ha utilizzato la propria esperienza nelle tecniche a raggi X per guidare lo sviluppo di una nuova tecnica che ha risolto questo conflitto. Il team l’ha chiamata “imaging di correlazione coerente”. Come hanno affermato gli autori in un articolo pubblicato su Nature , la nuova tecnica ha rivelato "l'ampiezza della fisica inaspettata nascosta negli stati fluttuanti della materia".
Con questa nuova tecnica in mano, il team ha potuto interpretare i dati. Le immagini in bianco e nero scattate mostravano i domini magnetici come macchie con bordi irregolari. Eseguendo le immagini come in un film, gli scienziati hanno visto che i confini di alcuni domini si spostavano avanti e indietro. Ma i confini degli altri sono rimasti quasi del tutto immobili.
Il team si è reso conto che ciò che stavano vedendo era un esempio di "bloccaggio" magnetico. Gli scienziati sapevano già che il bloccaggio era una proprietà dei materiali magnetici. Tuttavia, questa era la prima volta che era possibile vedere il fissaggio in modo così dettagliato. Questi dettagli hanno rivelato come il blocco abbia influenzato la configurazione dei domini magnetici e la loro danza ripetitiva.
I domini magnetici chiamati skyrmion generalmente si comportano come sfere su una superficie piana. L'energia casuale di atomi e molecole, come raffiche di vento, fa sì che i domini si muovano sulla superficie. Il blocco crea protuberanze e avvallamenti su quella superficie piana. Ci sono alcuni siti che agiscono come valli, dove è più probabile che i domini magnetici "rotolino" dentro. Ci sono altri siti che si comportano come colline su cui i domini non possono passare.
Ciò che gli scienziati stavano vedendo erano i confini del dominio magnetico che oscillavano avanti e indietro ma erano limitati nella loro configurazione da queste colline e valli. I confini che si sono spostati parecchio non sono stati vincolati. Al contrario, i confini che difficilmente si muovevano erano circondati da queste zone collinari che li respingevano. L'immagine sopra è una raccolta di dove si sono accumulati i confini dei domini magnetici. Le aree più luminose sono i luoghi in cui i confini del dominio si sono spostati più e più volte. Il numero limitato di configurazioni disponibili ha fatto sì che il sistema ripetesse in modo casuale le configurazioni magnetiche disponibili più e più volte. Era come strascicare i passi in una danza ripetitiva.
L’imaging di correlazione coerente non solo ha permesso agli scienziati di vedere questi cambiamenti per la prima volta, ma anche di capire perché stavano accadendo. Queste informazioni sono essenziali per capire come controllare gli skyrmion, lo scopo finale dello studio originale più di sei anni fa. Gli Skyrmion possono essere utilizzati in modo da imitare la memoria umana a breve termine, il che potrebbe essere importante per l'intelligenza artificiale.
Ma le applicazioni per l’imaging di correlazione coerente vanno ben oltre gli skyrmion. Questa tecnica può essere utile per tutti i tipi di ricerca sulle transizioni di fase nei materiali. Per i domini magnetici, l'imaging di correlazione coerente ha implicazioni per l'elettronica futura e oltre.
Alla fine, il team di ricerca ha trasformato una sfida inaspettata in un grande passo avanti per la ricerca sui materiali.
Ulteriori informazioni: Christopher Klose et al, Imaging di correlazione coerente per risolvere stati fluttuanti della materia, Natura (2023). DOI:10.1038/s41586-022-05537-9
Informazioni sul giornale: Natura
Fornito dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
