Los imanes se encuentran en motores, en la producción de energía y en el almacenamiento de datos. Por lo tanto, una comprensión más profunda de las propiedades básicas de los materiales magnéticos podría afectar nuestra tecnología cotidiana. Un estudio realizado por científicos del Instituto Paul Scherrer PSI en Suiza, la ETH Zurich y la Universidad de Glasgow tienen el potencial de promover este entendimiento.

Los investigadores han hecho visibles por primera vez las direcciones de la magnetización dentro de un objeto más grueso que nunca en 3D y hasta detalles diez mil veces más pequeños que un milímetro (100 nanómetros). Pudieron mapear la disposición tridimensional de los momentos magnéticos. Estos pueden considerarse como pequeñas agujas de brújula magnética dentro del material que definen colectivamente su estructura magnética. Los científicos lograron su visualización dentro de un imán de gadolinio y cobalto utilizando una técnica de imagen experimental llamada tomografía magnética de rayos X duros que se desarrolló en PSI. El resultado reveló intrigantes patrones entrelazados y, dentro de ellas, los llamados puntos de Bloch. En un punto de Bloch, las agujas magnéticas cambian bruscamente de dirección. Los puntos de Bloch se predijeron teóricamente en 1965, pero solo ahora se han observado directamente con estas nuevas mediciones. Los investigadores publicaron su estudio en la reconocida revista científica Naturaleza .

Un equipo de científicos del Instituto Paul Scherrer PSI, la ETH de Zúrich y la Universidad de Glasgow han podido por primera vez obtener imágenes de la estructura magnética dentro de un pequeño objeto tridimensional a escala nanométrica. La estructura magnética es una disposición de momentos magnéticos, cada uno de los cuales puede considerarse como una diminuta aguja de brújula magnética. El objeto estudiado fue un pilar del tamaño de un micrómetro (una milésima de milímetro de diámetro) hecho del material gadolinio-cobalto, que actúa como un ferromagnet. Dentro de ella, los científicos visualizaron los patrones magnéticos que ocurren en una escala diez mil veces más pequeña que un milímetro; en otras palabras, el detalle más pequeño que pudieron hacer visible en sus imágenes tridimensionales fue de alrededor de 100 nanómetros. La imagen sofisticada se logró mediante una técnica llamada tomografía magnética de rayos X duros que se desarrolló recientemente en PSI en el curso de este estudio de prueba de principio.

Hasta ahora, el magnetismo de imágenes y los patrones magnéticos a esta pequeña escala solo se pueden hacer en películas delgadas o en las superficies de los objetos, explica Laura Heyderman, investigador principal del estudio, investigador en PSI y profesor en ETH Zurich. Realmente sentimos que estamos buceando dentro del material magnético, ver y comprender la disposición tridimensional de las diminutas agujas de la brújula magnética. Estas diminutas agujas se 'sienten' entre sí y, por lo tanto, no están orientadas al azar, sino que forman patrones bien definidos en todo el objeto magnético.

Estructuras magnéticas básicas y visualización por primera vez de puntos de Bloch

Los científicos se dieron cuenta rápidamente de que los patrones magnéticos consistían en estructuras magnéticas fundamentales enredadas:reconocieron dominios, en otras palabras, regiones de magnetización homogénea, y muros de dominio, los límites que separan dos dominios diferentes. También observaron vórtices magnéticos, que tienen una estructura análoga a la de los tornados, y todas estas estructuras entrelazadas para crear un patrón complejo y único. Ver estas estructuras básicas y conocidas reunirse en una compleja red tridimensional tenía sentido y fue muy hermoso y gratificante. dice Claire Donnelly, primer autor del estudio.

Un tipo específico de patrón se destacó y dio un significado adicional a los resultados de los científicos:un par de singularidades magnéticas, los llamados puntos de Bloch. Los puntos de Bloch contienen una región infinitesimalmente pequeña dentro de la cual las agujas de la brújula magnética cambian abruptamente su dirección. Las singularidades en general han fascinado a los científicos en una variedad de campos de investigación. Ejemplos bien conocidos son los agujeros negros en el espacio. En ferromagnetos, la magnetización generalmente se puede considerar continua en la nanoescala. En estas singularidades, sin embargo, esta descripción se desglosa, dice Sebastian Gliga de la Universidad de Glasgow y científico visitante en PSI. Los puntos de Bloch constituyen monopolos de la magnetización y, aunque se predijeron por primera vez hace más de 60 años, nunca se han observado directamente.

Tomografía magnética de rayos X:mapeo 3D con resolución a nanoescala

La técnica experimental de tomografía de rayos X magnética empleada en este estudio se basa en un principio básico de la tomografía computarizada (TC). Similar a las tomografías computarizadas médicas, muchas imágenes de rayos X de la muestra se toman una tras otra desde muchas direcciones diferentes con un pequeño ángulo entre las imágenes adyacentes. Las mediciones se llevaron a cabo en la línea de luz cSAXS de la fuente de luz de sincrotrón SLS en PSI utilizando instrumentación avanzada para nanotomografía de rayos X en el marco del proyecto OMNY y una técnica de imagen desarrollada recientemente llamada pticografía. Empleando cálculos por computadora y un novedoso algoritmo de reconstrucción desarrollado en PSI, Todos los datos recopilados de esta manera se combinaron para formar el mapa tridimensional final de la magnetización.

Los científicos emplearon los llamados rayos X "duros" del SLS en PSI. En comparación con los rayos X 'suaves', Los rayos X duros tienen mayor energía. Los rayos X suaves de menor energía ya se han utilizado con mucho éxito para lograr un mapa similar de los momentos magnéticos, Claire Donnelly explica. Pero los rayos X suaves apenas penetran en tales muestras, por lo que solo puede usarlos para ver la magnetización de una película delgada o en la superficie de un objeto a granel. Para sumergirse realmente en su imán, los científicos de PSI eligieron rayos X duros de mayor energía, al precio de obtener una señal mucho más débil:mucha gente no creía que seríamos capaces de lograr esta imagen magnética en 3-D con rayos X duros, Laura Heyderman recuerda.

Adaptando los imanes del futuro

Los investigadores ven su logro como una contribución a una comprensión más profunda de las propiedades básicas de los materiales magnéticos. Es más, la capacidad de obtener imágenes dentro de los imanes podría aplicarse a muchos de los problemas tecnológicos actuales:los imanes se encuentran en los motores, en la producción de energía y en el almacenamiento de datos:la creación de mejores imanes tiene, por tanto, un enorme potencial para mejorar muchas aplicaciones cotidianas.