Con el tiempo programado para utilizar una determinada línea de luz en la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II), los científicos de NSLS-II y sus instituciones asociadas enfrentaron un desafío. Planeaban investigar un tipo especial de región en materiales magnéticos que podría ser útil para las computadoras de próxima generación. Las regiones de los materiales magnéticos, llamadas dominios magnéticos, determinan las propiedades magnéticas de un material. Los científicos querían estudiar cómo estos dominios magnéticos cambiaban con el tiempo bajo la influencia de un campo magnético externo.

Pero la cámara experimental recién diseñada que los científicos querían utilizar aún no estaba lista. Afortunadamente, a los científicos no les faltaron temas que querían estudiar.

El equipo NSLS-II cambió de marcha para realizar un experimento muy similar con el mismo sujeto que podría usar una cámara diferente. Lo que encontraron los llevó a desarrollar una técnica completamente nueva para tomar imágenes de materiales magnéticos en el espacio y el tiempo. Esta técnica ahora proporciona información detallada que nunca antes había sido posible.

NSLS-II es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Es una fuente de luz sincrotrón que proporciona rayos X 10 mil millones de veces más brillantes que el sol. Las vigas revelan asombrosos niveles de detalle en los materiales. Permiten a los científicos examinar cómo se mueven las partículas a nivel de nanoescala (una hebra de ADN tiene 2,5 nanómetros de ancho). Algunas de las líneas de luz pueden tomar hasta 100 imágenes por segundo.

En 2018, el equipo originalmente quería utilizar un instrumento recientemente desarrollado para la línea de luz de dispersión coherente de rayos X suaves (CSX) en NSLS-II. Esperaban examinar cómo los skyrmions en un material magnético interactúan con estímulos externos dentro de un campo magnético externo. (Los Skyrmions son un tipo de dominio magnético).

Como la cámara no estaba disponible, el equipo NSLS-II cambió ligeramente el enfoque de su experimento. Con rayos X en una cámara diferente en la misma línea de luz, podrían investigar materiales similares en diferentes condiciones. Querían mejorar el efecto del movimiento térmico (movimiento aleatorio inducido por la temperatura) en los dominios magnéticos convencionales.

Los investigadores tomaron una serie de imágenes de los dominios magnéticos a temperaturas fijas. Al conectar estas imágenes se creó una película corta, como un libro animado. Mostró el movimiento térmico de los dominios magnéticos en condiciones de equilibrio.

Los resultados mostraron algo inesperado. Los dominios magnéticos daban la impresión de bailar de forma repetitiva alrededor de determinadas configuraciones.

El resultado fue tan intrigante que los investigadores quisieron saber más sobre lo que vieron. Para extraer conocimiento significativo de la "danza" de los dominios, se dieron cuenta de que necesitaban desarrollar una técnica completamente nueva.

Desarrollar una nueva técnica científica no es nada fácil. En primer lugar, los científicos observaron aún más de cerca los datos del NSLS-II. Sabían que en algún lugar de todos esos datos estaban los detalles sobre cómo y por qué los dominios magnéticos se movían de la forma en que lo hacían.

Pero antes de poder hacerlo, necesitaban separar la señal débil proveniente de los dominios magnéticos de toda la información generada por los rayos X.

Una vez que tuvieron la información sobre las configuraciones de los dominios magnéticos, compararon las imágenes fijas de NSLS-II entre sí. Necesitaban unir otros similares. Si bien la inmensa cantidad de datos que recopila NSLS-II puede ser una fortaleza, aquí creó otro desafío. ¡Había casi 30.000 imágenes! Eran demasiados para que una persona pudiera clasificarlos. Los científicos desarrollaron otro algoritmo más para abordarlo.

Como resultado de estos años de trabajo, el equipo desarrolló una maquinaria y un algoritmo completamente nuevos para tomar imágenes de dominios magnéticos. Esto era necesario porque muchos de los cambios en los materiales magnéticos sólo son visibles si se toman imágenes directas. Pero hasta ese momento, los científicos no habían podido hacerlo. Siempre hubo un equilibrio entre el nivel de detalle de la imagen y la frecuencia con la que se tomaban imágenes para crear la "película" del material. Las técnicas anteriores terminaban con "películas" demasiado ruidosas o demasiado borrosas.

El equipo NSLS-II utilizó su experiencia en técnicas de rayos X para liderar el desarrollo de una nueva técnica que resolvió este conflicto. El equipo lo llamó imágenes de correlación coherente. Como dijeron los autores en un artículo publicado en Nature , la nueva técnica reveló "la amplitud de la física inesperada oculta en los estados fluctuantes de la materia".

Con esta nueva técnica en mano, el equipo pudo interpretar los datos. Las imágenes en blanco y negro que tomaron mostraban los dominios magnéticos como manchas con bordes desiguales. Al reproducir las imágenes como en una película, los científicos vieron que los límites de algunos de los dominios se movían hacia adelante y hacia atrás. Pero las fronteras de otros permanecieron casi completamente quietas.

El equipo se dio cuenta de que lo que estaban viendo era un ejemplo de "fijación" magnética. Los científicos ya sabían que la fijación era una propiedad de los materiales magnéticos. Sin embargo, esta fue la primera vez que fue posible ver la fijación con tanto detalle. Estos detalles revelaron cómo la fijación afectó la configuración de los dominios magnéticos y su danza repetitiva.

Los dominios magnéticos llamados skyrmions generalmente actúan como bolas sobre una superficie plana. La energía aleatoria de los átomos y las moléculas, como ráfagas de viento, hace que los dominios se muevan por la superficie. La fijación crea protuberancias y valles en esa superficie plana. Hay algunos sitios que actúan como valles, donde es más probable que los dominios magnéticos "rueden". Hay otros sitios que actúan como colinas que los dominios no pueden pasar.

Lo que los científicos estaban viendo eran los límites del dominio magnético balanceándose hacia adelante y hacia atrás pero limitados en su configuración por estas colinas y valles. Las fronteras que se movieron bastante no estaban restringidas. En cambio, las fronteras que apenas se movían estaban rodeadas por estos tramos de colinas que las rechazaban. La imagen de arriba es una recopilación de dónde se acumularon los límites de los dominios magnéticos. Las áreas más brillantes son los lugares a los que los límites del dominio cambiaron una y otra vez. El número limitado de configuraciones disponibles hizo que el sistema repitiera aleatoriamente las configuraciones magnéticas disponibles una y otra vez. Era como arrastrar los pasos en un baile repetitivo.

Las imágenes de correlación coherente no sólo permitieron a los científicos ver estos cambios por primera vez, sino también descubrir por qué estaban ocurriendo. Esta información es esencial para descubrir cómo controlar los skyrmions, el objetivo final del estudio original de hace más de seis años. Skyrmions se puede utilizar de forma que imite la memoria humana a corto plazo, lo que podría ser importante para la inteligencia artificial.

Pero las aplicaciones de imágenes de correlación coherentes van mucho más allá de los skyrmions. Esta técnica puede resultar útil para todo tipo de investigaciones sobre transiciones de fase en materiales. Para los dominios magnéticos, las imágenes de correlación coherente tienen implicaciones para la electrónica del futuro y más allá.

Al final, el equipo de investigación convirtió un desafío inesperado en un gran paso adelante para la investigación de materiales.

Más información: Christopher Klose et al, Imágenes de correlación coherente para resolver estados fluctuantes de la materia, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-022-05537-9

Información de la revista: Naturaleza

Proporcionado por el Departamento de Energía de EE. UU.