Gli scienziati hanno sviluppato una tecnica di imaging tridimensionale per osservare comportamenti complessi nei magneti, comprese onde veloci e "tornado" migliaia di volte più sottili di un capello umano.

Il gruppo, dalle Università di Cambridge e Glasgow nel Regno Unito e dall'ETH di Zurigo e dal Paul Scherrer Institute in Svizzera, hanno usato la loro tecnica per osservare come si comporta la magnetizzazione, la prima volta che questo è stato fatto in tre dimensioni. La tecnica, chiamata laminografia magnetica risolta nel tempo, potrebbe essere utilizzato per comprendere e controllare il comportamento di nuovi tipi di magneti per l'archiviazione e l'elaborazione dei dati di nuova generazione. I risultati sono riportati sulla rivista Nanotecnologia della natura .

I magneti sono ampiamente utilizzati in applicazioni dall'archiviazione dei dati alla produzione di energia e ai sensori. Per capire perché i magneti si comportano in quel modo, è importante capire la struttura della loro magnetizzazione, e come quella struttura reagisce al cambiamento di correnti o campi magnetici.

"Fino ad ora, non è stato possibile misurare effettivamente come i magneti rispondono al cambiamento dei campi magnetici in tre dimensioni, " ha detto la dottoressa Claire Donnelly del Cavendish Laboratory di Cambridge, e il primo autore dello studio. "Siamo stati davvero in grado di osservare questi comportamenti solo nei film sottili, che sono essenzialmente bidimensionali, e che quindi non ci danno un quadro completo".

Passare da due dimensioni a tre è molto complesso, però. La modellazione e la visualizzazione del comportamento magnetico sono relativamente semplici in due dimensioni, ma in tre dimensioni, la magnetizzazione può puntare in qualsiasi direzione e formare schemi, che è ciò che rende i magneti così potenti.

"Non solo è importante sapere quali modelli e strutture forma questa magnetizzazione, ma è fondamentale capire come reagisce agli stimoli esterni, " ha detto Donnelly. "Queste risposte sono interessanti da un punto di vista fondamentale, ma sono fondamentali quando si tratta di dispositivi magnetici utilizzati nella tecnologia e nelle applicazioni."

Una delle principali sfide nello studio di queste risposte è legata al motivo per cui i materiali magnetici sono così importanti per così tante applicazioni:i cambiamenti nella magnetizzazione in genere sono estremamente piccoli, e avviene estremamente velocemente. Le configurazioni magnetiche, le cosiddette strutture di dominio, mostrano caratteristiche dell'ordine di decine o centinaia di nanometri, migliaia di volte più piccolo della larghezza di un capello umano, e tipicamente reagiscono a campi magnetici e correnti in miliardesimi di secondo.

Ora, Donnelly e i suoi collaboratori del Paul Scherrer Institute, l'Università di Glasgow e l'ETH di Zurigo hanno sviluppato una tecnica per guardare all'interno di un magnete, visualizzare la sua nanostruttura, e come risponde a un campo magnetico variabile in tre dimensioni, e nelle dimensioni e nei tempi richiesti.

La tecnica che hanno sviluppato, laminografia magnetica risolta nel tempo, utilizza potenti raggi X chiamati raggi X di sincrotrone per sondare lo stato magnetico da diverse direzioni su scala nanometrica, e come cambia in risposta a un campo magnetico che si alterna rapidamente. Il set di dati a sette dimensioni risultante (tre dimensioni per la posizione, tre per la direzione e uno per il tempo) viene quindi ottenuto utilizzando un algoritmo di ricostruzione appositamente sviluppato, fornendo una mappa delle dinamiche di magnetizzazione con risoluzione temporale di 70 picosecondi, e risoluzione spaziale di 50 nanometri.

Ciò che i ricercatori hanno visto con la loro tecnica è stato come una tempesta su nanoscala:modelli di onde e tornado che si muovono da un lato all'altro mentre il campo magnetico cambia. Il movimento di questi tornado, o vortici, era stato precedentemente osservato solo in due dimensioni.

I ricercatori hanno testato la loro tecnica utilizzando magneti convenzionali, ma dicono che potrebbe anche essere utile nello sviluppo di nuovi tipi di magneti che esibiscono nuovi tipi di magnetismo. Questi nuovi magneti, come nanomagneti stampati in 3D, potrebbe essere utile per nuovi tipi di alta densità, archiviazione ed elaborazione dei dati ad alta efficienza.

"Ora possiamo studiare le dinamiche di nuovi tipi di sistemi che potrebbero aprire nuove applicazioni a cui non abbiamo nemmeno pensato, " ha detto Donnelly. "Questo nuovo strumento ci aiuterà a capire, e controllo, il loro comportamento».