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May 17, 2023

Kohärente Korrelationsbildgebung hilft, Veränderungen in magnetischen Materialien zu verstehen

Brookhaven National Laboratory, Upton, NY Auf nahezu atomarer Ebene Magnetismus

Brookhaven National Laboratory, Upton, NY

Auf atomarer Ebene besteht der Magnetismus aus vielen sich ständig verändernden Königreichen – sogenannten magnetischen Domänen –, die die magnetischen Eigenschaften des Materials erzeugen. Obwohl Wissenschaftler wissen, dass diese Bereiche existieren, suchen sie immer noch nach den Gründen für dieses Verhalten.

Jetzt veröffentlichte eine Zusammenarbeit unter der Leitung von Wissenschaftlern des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums, des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB), des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und des Max-Born-Instituts (MBI) eine Studie in Nature, in der sie verwendeten eine neuartige Analysetechnik – die sogenannte kohärente Korrelationsbildgebung (CCI) –, um die Entwicklung magnetischer Domänen in Zeit und Raum ohne Vorkenntnisse abzubilden. Den „Tanz der Domänen“ konnten die Wissenschaftler nicht während der Messung erkennen, sondern erst danach, als sie die aufgezeichneten Daten zum „Rückspulen des Bandes“ nutzten.

Der „Film“ der Domänen zeigt, wie sich die Grenzen dieser Domänen in manchen Bereichen hin und her verschieben, in anderen jedoch konstant bleiben. Die Forscher führen dieses Verhalten auf eine Eigenschaft des Materials zurück, die „Pinning“ genannt wird. Während Pinning eine bekannte Eigenschaft magnetischer Materialien ist, konnte das Team erstmals direkt abbilden, wie ein Netzwerk von Pinning-Stellen die Bewegung miteinander verbundener Domänenwände beeinflusst.

„Viele Details über die Veränderungen in magnetischen Materialien sind nur durch direkte Bildgebung zugänglich, was uns bisher nicht möglich war. Es ist im Grunde ein wahrgewordener Traum für die Untersuchung der magnetischen Bewegung in Materialien“, sagte Wen Hu, Wissenschaftler an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) und Co-korrespondierender Autor der Studie.

Die Forscher gehen davon aus, dass CCI dazu beitragen wird, andere Eigenschaften des Mikrokosmos des Magnetismus – wie Freiheitsgrade oder verborgene Symmetrien – zu erschließen, die zuvor mit anderen Techniken nicht zugänglich waren. Der Nutzen von CCI stellt auch einen Durchbruch über magnetische Materialien hinaus dar, da die Technik auf verschiedene Messtechniken und Forschungsbereiche übertragen werden kann. Ein Bereich, der am meisten vom Verständnis der Bewegung magnetischer Domänen auf der Nanoskala profitieren könnte, ist das neuartige Rechnen. Eine neuartige Speichertechnologie könnte spezielle magnetische Domänen namens „Skyrmionen“ nutzen.

„Skyrmionen sind für die Berechnung künstlicher Intelligenz interessant, weil sie eine Eigenschaft besitzen, die unserem Kurzzeitgedächtnis ähnelt“, sagte Felix Büttner, Gruppenleiter am Helmholtz-Zentrum Berlin, Professor an der Universität Augsburg und Mitautor der Studie. „In aktuellen Computerarchitekturen ist alles linear, das heißt, der Speicher ist vom Prozessor getrennt. Das ist für die meisten Anwendungen kein Problem, erschwert aber beispielsweise die Spracherkennung. Bei der Spracherkennung verarbeitet der Rechenteil nur die eingehenden Daten.“ Worte, erinnert sich aber nicht an das, was zuvor gesagt wurde. Darüber hinaus erfordert das Zurücksenden dieser Informationen aus dem Gedächtnis viel Energie. Durch die Verwendung von Skyrmionen können wir möglicherweise ihr Kurzzeitgedächtnis auf irgendeine Weise nutzen und diese vermeiden Probleme“, fügte er hinzu.

Bevor Ingenieure jedoch eine Technologie entwickeln können, die diese Funktion nutzt, müssen sie zunächst verstehen, wie man Skyrmionen und andere magnetische Domänen manipuliert. Sie hoffen, dass viele andere Forschungsgruppen von CCI profitieren werden. Während sie sich darauf vorbereiten, CCI auf ein breiteres Spektrum bisher unzugänglicher Dynamiken anzuwenden und die Technik auf andere Röntgenquellen auszudehnen, arbeiten sie auch an der Implementierung maschinellen Lernens, um die CCI-Analyse weniger manuell und für einen noch breiteren Bereich zugänglicher zu machen Gemeinschaft.

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Cara Laasch unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 631-344-8000.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Juni-Ausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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