每个人都知道,拿着两个磁铁将导致两种结果:他们粘在一起,或者他们将彼此分开。从这个角度看,磁性似乎简单,但科学家们几十年来一直真正理解磁性在最小的尺度上的表现如何。在near-atomic层次,磁性是由许多瞬息万变王国——称为磁域——创建的磁性材料。虽然科学家知道这些域存在,他们仍在寻找这种行为背后的原因。
现在,科学家协作领导从美国能源部布鲁克海文国家实验室Helmholtz-Zentrum柏林(HZB),麻省理工学院(MIT)和马克斯出生研究所(MBI)发表的一项研究自然他们使用一种新的分析技术,叫做相干相关成像(CCI)——形象磁域的演化在时间和空间没有任何以前的知识。科学家们无法看到“域之舞”在测量但只有之后,当他们使用记录数据“倒带。”
域的“电影”展示了这些领域的边界来回转变在一些地区却保持不变。研究人员认为这种行为属性的物质称为“锁住”。While pinning is a known property of magnetic materials, the team could directly image for the first time how a network of pinning sites affects the motion of interconnected domain walls.
“许多细节的改变磁性材料只可通过直接成像,直到现在我们做不到。亚博网站下载它基本上是一个梦想成真研究磁运动的材料,”亚博网站下载温家宝说,科学家在国家同步光源II (NSLS-II)和共同通讯作者。
研究人员希望CCI来帮助解锁其他属性的磁性的缩影——如自由度或隐藏的对称性,之前没有通过其他方法来访问。CCI的有用性也代表了一个突破超越磁性材料由于技术可以转移到不同的测量技术和研究领域。亚博网站下载一个领域可能会受益于理解磁域的运动在纳米(一纳米是0.000000038英寸!)是新颖的计算。小说内存技术可以利用特殊的磁域称为“skyrmions。”
“Skyrmions有趣的人工智能计算,因为他们拥有一个属性,类似于我们的短期记忆,”组长Felix Buttner说Helmholtz-Zentrum柏林,奥格斯堡大学教授和共同通讯的研究。“在当前计算架构都是线性的,这意味着内存与处理器分离。对于大多数应用程序,但这不是一个问题,例如,它使得语音识别困难。在语音识别,计算部分只处理传入的话说,但不记得此前一直在说什么。此外,发送信息的内存需要很大的能量。通过使用skyrmions,我们也许能够利用他们的短期记忆在某种程度上,避免这些问题。”
然而,在工程师和科学家可以开发技术,使用这个功能,他们首先需要了解如何操纵skyrmions和其他磁域。这是打算当NSLS-II之间的协作,杰弗里海滩的小组在麻省理工学院,和MBI形成。他们想调查skyrmions如何磁设备对外部刺激做出的反应,特别是在外部磁场。HZB加入合作当Buttner从麻省理工学院搬到柏林。
“2018年,我们在连贯的软x射线散射测量时间(CSX) beamline NSLS-II;然而,实验室我们想使用还没有准备好。这意味着我们没有外部磁场,但我们有一个后备计划研究热运动,”说,谁是CSX beamline团队的一部分。
Buttner补充说,“我预计这个实验将另一个演示实验,但仅此而已。说实话,我很惊讶我们看到热运动。我们研究了室温相同的设备,几乎没有看到任何热运动。这次我们研究它在310 k,这是大约98华氏度,我们看到那么多。这是惊人的!这只是一个开始。”
一个后备计划导致隐藏的见解如何
在他们的实验中,研究小组使用的x射线的CSX beamline采取一系列的快照的磁域。CSX的一部分先进的研究工具套件NSLS-II为研究材料。亚博网站下载研究小组使用全息术中的beamline设置图片。在大多数全息实验中,科学家们把一个图像每三到四秒,然而,快速检测器在CSX beamline允许团队需要每秒100图片。
“测量后,我们开始正常数据分析通过添加了200张照片。一旦我们这样做,我们发现系统的改变比我们的预期快得多。温度真的影响了物理学在示例中,“博士生克里斯托弗·克洛泽说MBI,这项研究的第一作者。”这是一个真正的惊喜,我们的开始发展我们的后处理技术——相干相关成像(CCI)——这样我们就可以解决这个快速运动。”
这个初步实现后,团队决定深入挖掘数据。他们知道的详细信息域运动在他们的数据编码。虽然没有现有的数据分析技术来解决他们的问题,他们能够发现算法可以适应。在过去的三年里,团队开发新算法,小说CCI技术。
“有很多挑战。开发CCI,我们结合已知的相关函数分析x射线光子相关光谱(XPCS)全息术,这是一个成像技术。一个问题是,全息数据并不适合XPCS分析,“克洛泽说。
当x射线击中了这些实验样本,他们分散在磁域和全息掩模定义了视野。探测器记录所有散射x射线不管他们的起源。但团队只是感兴趣磁散射。所以,他们需要清理数据计算相关函数之前。
“一旦我们有相关函数,我们可以比较这些帧互相找到类似的。还需要一个新的算法,因为我们有几乎30000帧整理,“持续的克洛泽。
这个挑战需要一个算法,可以为每个框架目录域的状态。该算法将是一个真正的改变这个任务,因为它能够在没有人类能实现方法。这些国家
将磁景观形状如何
在团队使用CCI整理他们的数据,他们去解释。重建图像显示黑白领域分散在他们的设备。但这些边界,或域墙,帧之间来回转移,而其他大部分待放。问题:研究人员看到,这对于skyrmions和磁域意味着什么?
“Skyrmions小球形物体,与球台球桌。在我们的例子中,热能使他们徘徊。现在,如果池表把,表面不是光滑的,而是是一个丘陵景观。我们有两种将网站:有吸引力的和排斥的。第一个的山谷,第二的是山。在这种情况下,skyrmions将剩下的“吸引力”的山谷。如果他们想要移动,他们需要克服“排斥”山的山坡上,“Buttner说。
研究人员发现,域壁像橡皮筋。它们可以固定下来,然后来回摆动像吉他弦。虽然有吸引力的网站可以适应域壁,排斥网站抑制域壁的运动。域墙需要解除的排斥。它不能徘徊。这就解释了为什么科学家们看到一些域壁不断转变,而其他几乎没有变动。后者是被排斥的网站。
“CCI给我们看到随着时间的推移,这个运动的工具。基本上,我们可以让一个小电影对这些领域的转变。这个实验让我们看到这种波动行为及其原因,第一次“胡锦涛说。“我们不希望这种合作将导致一种新技术的发明,广泛受益其他用户和研究人员研究动态。”
Buttner补充说,“我们需要近一年完全理解物理我们的发现和发展动态,我们看到一个解释。事后看来,实验本身是最简单的部分。真正的工作是技术开发和物理解释。”
研究人员同意,这个突破的一个重要因素是不同团队的专家他们组装了这个任务。他们希望其他研究小组将受益于CCI。当他们准备CCI应用到更广泛的前所未有的动力以及扩大到其他x射线源的技术,他们也努力实现机器学习来减少CCI分析手册和更容易通过一个更广泛的社区。
团队对于这个工作由克里斯托弗·克洛泽,迈克尔·施耐德Stefan Eisebitt和巴斯蒂安·Pfau马克斯研究所出生,菲利克斯Buttner和里卡多Battistelli Helmholtz-Zentrum柏林,温家宝胡,克劳迪奥马佐里,安迪巴伯和国家同步光源的斯图亚特·b·威尔金斯二世布鲁克海文国家实验室,Kai Litzius,伊凡Lemesh,杰森·m·巴特尔Mantao黄和杰弗里·道。从麻省理工学院的海滩,基督教从柏林技术大学m·冈瑟。
NSLS-II是美国能源部(DOE)办公室用户设备能源部布鲁克海文国家实验室的。亚博老虎机网登录
这项工作是由美国能源部科学办公室。亚博老虎机网登录
来源:https://www.bnl.gov/world/