Ímãs são encontrados em motores, na produção de energia e no armazenamento de dados. Uma compreensão mais profunda das propriedades básicas dos materiais magnéticos pode, portanto, impactar nossa tecnologia cotidiana. Um estudo realizado por cientistas do Instituto Paul Scherrer PSI na Suíça, a ETH Zurich e a University of Glasgow têm potencial para aprofundar esse entendimento.

Os pesquisadores, pela primeira vez, tornaram visíveis as direções da magnetização dentro de um objeto mais espesso do que nunca em 3-D e em detalhes dez mil vezes menores que um milímetro (100 nanômetros). Eles foram capazes de mapear o arranjo tridimensional dos momentos magnéticos. Elas podem ser vistas como minúsculas agulhas de bússola magnética dentro do material que definem coletivamente sua estrutura magnética. Os cientistas conseguiram sua visualização dentro de um ímã de gadolínio-cobalto usando uma técnica de imagem experimental chamada tomografia magnética de raios-X dura, que foi desenvolvida no PSI. O resultado revelou padrões intrigantes de entrelaçamento e, no meio deles, os chamados pontos Bloch. Em um ponto Bloch, as agulhas magnéticas mudam abruptamente de direção. Os pontos de Bloch foram previstos teoricamente em 1965, mas só agora foram observados diretamente com essas novas medições. Os pesquisadores publicaram seu estudo na renomada revista científica Natureza .

Uma equipe de cientistas do Instituto Paul Scherrer PSI, o ETH Zurich e a Universidade de Glasgow conseguiram, pela primeira vez, obter imagens da estrutura magnética de um pequeno objeto 3-D na escala nanométrica. A estrutura magnética é um arranjo de momentos magnéticos, cada uma delas pode ser considerada uma minúscula agulha de bússola magnética. O objeto estudado foi um pilar de tamanho micrométrico (milésimo de milímetro de diâmetro) feito do material gadolínio-cobalto, que atua como um ferromagneto. Dentro dele, os cientistas visualizaram os padrões magnéticos que ocorrem em uma escala dez mil vezes menor que um milímetro - em outras palavras, o menor detalhe que eles podiam tornar visível em suas imagens 3-D era de cerca de 100 nanômetros. A sofisticada imagem foi obtida por uma técnica chamada tomografia magnética de raios-X dura, que foi desenvolvida recentemente no PSI no decorrer deste estudo de prova de princípio.

Até agora, magnetismo de imagem e padrões magnéticos em pequena escala só poderiam ser feitos em filmes finos ou na superfície de objetos, explica Laura Heyderman, investigador principal do estudo, pesquisador do PSI e professor da ETH Zurique. Nós realmente sentimos que estamos mergulhando dentro do material magnético, ver e compreender o arranjo 3-D das minúsculas agulhas da bússola magnética. Essas minúsculas agulhas "sentem-se" umas nas outras e, portanto, não são orientadas aleatoriamente, mas, em vez disso, formam padrões bem definidos em todo o objeto magnético.

Estruturas magnéticas básicas e visualização inicial de pontos de Bloch

Os cientistas perceberam rapidamente que os padrões magnéticos consistiam em estruturas magnéticas fundamentais emaranhadas:eles reconheceram domínios, em outras palavras, regiões de magnetização homogênea, e paredes de domínio, os limites que separam dois domínios diferentes. Eles também observaram vórtices magnéticos, que têm uma estrutura análoga à dos tornados, e todas essas estruturas interligadas para criar um padrão complexo e único. Ver essas estruturas básicas e conhecidas se unindo em uma rede 3-D complexa fez sentido e foi muito bonito e gratificante, diz Claire Donnelly, primeiro autor do estudo.

Um tipo específico de padrão se destacou e deu significado adicional aos resultados dos cientistas:um par de singularidades magnéticas, os chamados pontos Bloch. Os pontos de Bloch contêm uma região infinitesimalmente pequena dentro da qual as agulhas da bússola magnética mudam abruptamente de direção. As singularidades em geral fascinaram os cientistas em diversos campos de pesquisa. Exemplos bem conhecidos são os buracos negros no espaço. Em ferromagnetos, a magnetização pode geralmente ser considerada contínua em nanoescala. Nessas singularidades, Contudo, esta descrição quebra, diz Sebastian Gliga, da Universidade de Glasgow e cientista visitante do PSI. Os pontos de Bloch constituem monopólos de magnetização e, embora tenham sido previstos pela primeira vez há mais de 60 anos, eles nunca foram observados diretamente.

Tomografia de raios-X magnética:mapeamento 3-D com resolução em nanoescala

A técnica experimental de tomografia de raios-X magnética empregada neste estudo baseia-se em um princípio básico de tomografia computadorizada (TC). Semelhante a tomografias computadorizadas médicas, muitas imagens de raios-X da amostra são tiradas uma após a outra de muitas direções diferentes com um pequeno ângulo entre as imagens adjacentes. As medições foram realizadas na linha de luz cSAXS da fonte de luz síncrotron SLS em PSI usando instrumentação avançada para nanotomografia de raios-X no âmbito do projeto OMNY e uma técnica de imagem recentemente desenvolvida chamada pticografia. Empregando cálculos de computador e um novo algoritmo de reconstrução desenvolvido no PSI, todos os dados coletados desta forma foram combinados para formar o mapa 3-D final da magnetização.

Os cientistas empregaram os chamados raios-X 'duros' do SLS no PSI. Em comparação com os raios X 'suaves', os raios X duros têm maior energia. Raios-X suaves de baixa energia já foram usados ​​com muito sucesso para obter um mapa semelhante dos momentos magnéticos, Claire Donnelly explica. Mas os raios X suaves dificilmente penetram nessas amostras, então você só pode usá-los para ver a magnetização de um filme fino ou na superfície de um objeto a granel. Para realmente mergulhar dentro de seu ímã, os cientistas PSI escolheram raios-X duros de alta energia, ao preço de obter um sinal muito mais fraco:Muitas pessoas não acreditavam que seríamos capazes de obter essa imagem magnética 3-D com raios X fortes, Laura Heyderman lembra.

Adaptando os ímãs do futuro

Os pesquisadores vêem sua conquista como uma contribuição para uma compreensão mais profunda das propriedades básicas dos materiais magnéticos. Além disso, a capacidade de criar imagens dentro de ímãs pode ser aplicada a muitos dos problemas tecnológicos de hoje:ímãs são encontrados em motores, na produção de energia e no armazenamento de dados - criar melhores ímãs, portanto, tem um enorme potencial de melhorar muitas aplicações do dia-a-dia.