Com o tempo programado para usar uma determinada linha de luz na Fonte Nacional de Luz Síncrotron-II (NSLS-II), os cientistas do NSLS-II e suas instituições parceiras enfrentaram um desafio. Eles planejavam pesquisar um tipo especial de região em materiais magnéticos que poderia ser útil para computadores da próxima geração. Regiões em materiais magnéticos – chamadas domínios magnéticos – determinam as propriedades magnéticas de um material. Os cientistas queriam estudar como estes domínios magnéticos mudavam ao longo do tempo sob a influência de um campo magnético externo.



Mas a câmara experimental recém-projetada que os cientistas queriam usar ainda não estava pronta. Felizmente, não faltaram aos cientistas assuntos que queriam estudar.

A equipe do NSLS-II mudou de direção para realizar um experimento muito semelhante no mesmo assunto, que poderia usar uma câmara diferente. O que descobriram levou-os a desenvolver uma técnica inteiramente nova para obter imagens de materiais magnéticos no espaço e no tempo. Esta técnica agora fornece insights detalhados que nunca foram possíveis antes.

NSLS-II é uma instalação de usuário do Escritório de Ciência do Departamento de Energia (DOE) no Laboratório Nacional de Brookhaven. É uma fonte de luz síncrotron que fornece feixes de raios X 10 bilhões de vezes mais brilhantes que o sol. As vigas revelam níveis surpreendentes de detalhes nos materiais. Eles permitem que os cientistas examinem como as partículas se movem em nível nanoescala (uma cadeia de DNA tem 2,5 nanômetros de largura). Algumas das linhas de luz podem capturar até 100 imagens por segundo.

Em 2018, a equipe originalmente queria usar um instrumento recém-desenvolvido para a linha de luz Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) no NSLS-II. Eles esperavam examinar como os skyrmions em um material magnético interagem com estímulos externos dentro de um campo magnético externo. (Skyrmions são um tipo de domínio magnético.)

Com a câmara indisponível, a equipe do NSLS-II mudou ligeiramente o foco do experimento. Com raios X numa câmara diferente na mesma linha de luz, eles poderiam investigar materiais semelhantes sob diferentes condições. Eles queriam aumentar o efeito do movimento térmico (movimento aleatório induzido pela temperatura) em domínios magnéticos convencionais.

Os pesquisadores obtiveram uma série de imagens dos domínios magnéticos em temperaturas fixas. A conexão dessas imagens criou um curta-metragem, como um flipbook. Mostrou o movimento térmico dos domínios magnéticos em condições de equilíbrio.

Os resultados mostraram algo inesperado. Os domínios magnéticos davam a impressão de dançar de forma repetitiva em torno de determinadas configurações.

O resultado foi tão intrigante que os pesquisadores quiseram saber mais sobre o que viram. Para extrair conhecimento significativo da “dança” dos domínios, eles perceberam que precisavam desenvolver uma técnica totalmente nova.

Desenvolver uma nova técnica científica está longe de ser fácil. Primeiro, os cientistas analisaram ainda mais de perto os dados do NSLS-II. Eles sabiam que em algum lugar de todos esses dados havia detalhes sobre como e por que os domínios magnéticos se moviam daquela maneira.

Mas antes que pudessem fazer isso, precisavam separar o sinal fraco proveniente dos domínios magnéticos de toda a informação trazida pelos raios X.

Assim que obtiveram as informações sobre as configurações dos domínios magnéticos, eles compararam as imagens estáticas do NSLS-II entre si. Eles precisavam combinar outros semelhantes. Embora a imensa quantidade de dados recolhidos pelo NSLS-II possa ser um ponto forte, aqui criou ainda outro desafio. Foram quase 30.000 imagens! Eram muitos para uma pessoa resolver. Os cientistas desenvolveram outro algoritmo para lidar com isso.

Como resultado desses anos de trabalho, a equipe desenvolveu um maquinário e um algoritmo inteiramente novos para obter imagens de domínios magnéticos. Isto foi necessário porque muitas das mudanças nos materiais magnéticos só são visíveis se você tirar imagens diretas. Mas até este ponto, os cientistas não foram capazes de fazê-lo. Sempre houve uma compensação entre o nível de detalhe da imagem e a frequência com que você tirava imagens para criar o “filme” do material. As técnicas anteriores acabavam com “filmes” muito barulhentos ou muito borrados.

A equipe do NSLS-II utilizou sua experiência em técnicas de raios X para liderar o desenvolvimento de uma nova técnica que resolveu este conflito. A equipe chamou isso de imagem de correlação coerente. Como disseram os autores em um artigo publicado na Nature , a nova técnica revelou "a amplitude da física inesperada escondida em estados flutuantes da matéria".

Com essa nova técnica em mãos, a equipe conseguiu interpretar os dados. As imagens em preto e branco tiradas mostraram os domínios magnéticos como bolhas com bordas irregulares. Executando as imagens como um filme, os cientistas viram que as fronteiras de alguns dos domínios se moviam para frente e para trás. Mas as fronteiras de outros permaneceram quase completamente imóveis.

A equipe percebeu que o que estavam vendo era um exemplo de “fixação” magnética. Os cientistas já sabiam que a fixação era uma propriedade dos materiais magnéticos. Porém, esta foi a primeira vez que foi possível ver a pinagem com tanto detalhe. Esses detalhes revelaram como a fixação afetou a configuração dos domínios magnéticos e sua dança repetitiva.

Os domínios magnéticos chamados skyrmions geralmente agem como bolas em uma superfície plana. A energia aleatória dos átomos e moléculas, como rajadas de vento, faz com que os domínios se movam pela superfície. A fixação cria saliências e vales nessa superfície plana. Existem alguns locais que agem como vales, onde os domínios magnéticos têm maior probabilidade de “rolar”. Existem outros sites que funcionam como colinas pelas quais os domínios não conseguem passar.

O que os cientistas estavam a ver eram as fronteiras do domínio magnético balançando para a frente e para trás, mas limitadas na sua configuração por estas colinas e vales. As fronteiras que se moveram bastante não foram restritas. Em contraste, as fronteiras que quase não se moviam eram cercadas por estas secções de colinas que as repeliam. A imagem acima é uma compilação de onde as fronteiras dos domínios magnéticos se acumularam. As áreas mais brilhantes são os locais para onde as fronteiras do domínio se deslocam continuamente. O número limitado de configurações disponíveis fez com que o sistema repetisse aleatoriamente as configurações magnéticas disponíveis continuamente. Era como arrastar os passos de uma dança repetitiva.

A imagem de correlação coerente não só permitiu aos cientistas ver essas mudanças pela primeira vez, mas também descobrir por que elas estavam acontecendo. Esta informação é essencial para descobrir como controlar os skyrmions – o eventual propósito do estudo original há mais de seis anos. Skyrmions podem ser usados ​​de uma forma que imita a memória humana de curto prazo, o que pode ser importante para a inteligência artificial.

Mas as aplicações para imagens de correlação coerente vão muito além dos skyrmions. Esta técnica pode ser útil para todos os tipos de pesquisas sobre transições de fase em materiais. Para domínios magnéticos, a imagem de correlação coerente tem implicações para a eletrônica futura e além.

No final, a equipe de pesquisa transformou um desafio inesperado em um grande avanço na pesquisa de materiais.

Mais informações: Christopher Klose et al, Imagem de correlação coerente para resolver estados flutuantes da matéria, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-022-05537-9
Informações do diário: Natureza

Fornecido pelo Departamento de Energia dos EUA