Los científicos han desarrollado una técnica de imágenes tridimensionales para observar comportamientos complejos en imanes, incluyendo olas de movimiento rápido y 'tornados' miles de veces más delgados que un cabello humano.

El equipo, de las Universidades de Cambridge y Glasgow en el Reino Unido y ETH Zurich y el Instituto Paul Scherrer en Suiza, utilizó su técnica para observar cómo se comporta la magnetización, la primera vez que esto se ha hecho en tres dimensiones. La técnica, llamada laminografía magnética de resolución temporal, podría utilizarse para comprender y controlar el comportamiento de nuevos tipos de imanes para el almacenamiento y procesamiento de datos de próxima generación. Los resultados se informan en la revista. Nanotecnología de la naturaleza .

Los imanes se utilizan ampliamente en aplicaciones que van desde el almacenamiento de datos hasta la producción de energía y los sensores. Para entender por qué los imanes se comportan como lo hacen, es importante comprender la estructura de su magnetización, y cómo esa estructura reacciona a corrientes cambiantes o campos magnéticos.

"Hasta ahora, no ha sido posible medir realmente cómo responden los imanes a los campos magnéticos cambiantes en tres dimensiones, "dijo la Dra. Claire Donnelly del Laboratorio Cavendish de Cambridge, y el primer autor del estudio. "Solo hemos podido observar estos comportamientos en películas delgadas, que son esencialmente bidimensionales, y que, por tanto, no nos dan una imagen completa ".

Pasar de dos dimensiones a tres es muy complejo, sin embargo. Modelar y visualizar el comportamiento magnético es relativamente sencillo en dos dimensiones, pero en tres dimensiones, la magnetización puede apuntar en cualquier dirección y formar patrones, que es lo que hace que los imanes sean tan poderosos.

"No solo es importante saber qué patrones y estructuras forma esta magnetización, pero es fundamental entender cómo reacciona a los estímulos externos, ", dijo Donnelly." Estas respuestas son interesantes desde un punto de vista fundamental, pero son cruciales cuando se trata de dispositivos magnéticos utilizados en tecnología y aplicaciones ".

Uno de los principales desafíos en la investigación de estas respuestas está relacionado con la misma razón por la que los materiales magnéticos son tan relevantes para tantas aplicaciones:los cambios en la magnetización suelen ser extremadamente pequeños, y suceden extremadamente rápido. Las configuraciones magnéticas, las llamadas estructuras de dominio, exhiben características del orden de decenas a cientos de nanómetros, miles de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, y reaccionan típicamente a campos magnéticos y corrientes en mil millonésimas de segundo.

Ahora, Donnelly y sus colaboradores del Instituto Paul Scherrer, la Universidad de Glasgow y ETH Zurich han desarrollado una técnica para mirar dentro de un imán, visualizar su nanoestructura, y cómo responde a un campo magnético cambiante en tres dimensiones, y en el tamaño y los plazos requeridos.

La técnica que desarrollaron, laminografía magnética de resolución temporal, utiliza potentes rayos X llamados rayos X de sincrotrón para sondear el estado magnético desde diferentes direcciones a nanoescala, y cómo cambia en respuesta a un campo magnético que se alterna rápidamente. El conjunto de datos de siete dimensiones resultante (tres dimensiones para la posición, tres para la dirección y uno para el tiempo) se obtiene utilizando un algoritmo de reconstrucción especialmente desarrollado, proporcionar un mapa de la dinámica de magnetización con una resolución temporal de 70 picosegundos, y resolución espacial de 50 nanómetros.

Lo que los investigadores vieron con su técnica fue como una tormenta a nanoescala:patrones de ondas y tornados que se movían de lado a lado a medida que cambiaba el campo magnético. El movimiento de estos tornados, o vórtices, anteriormente solo se había observado en dos dimensiones.

Los investigadores probaron su técnica utilizando imanes convencionales, pero dicen que también podría ser útil en el desarrollo de nuevos tipos de imanes que exhiban nuevos tipos de magnetismo. Estos nuevos imanes, como los nanoimanes impresos en 3D, podría ser útil para nuevos tipos de alta densidad, almacenamiento y procesamiento de datos de alta eficiencia.

"Ahora podemos investigar la dinámica de nuevos tipos de sistemas que podrían abrir nuevas aplicaciones en las que ni siquiera hemos pensado, ", dijo Donnelly." Esta nueva herramienta nos ayudará a comprender, y control, su comportamiento."