Kohærent korrelationsbilleddannelse sporer fluktuationer på nanoskalaen

Ved hjælp af en ny billedrekonstruktionsteknik har fysikere i Tyskland og USA lavet klare og detaljerede film af nanoskalaudsving i et magnetisk materiale. For at fange disse funktioner, et team ledet af Christopher Klose ved Max Born Institute, Berlin, brugte en avanceret algoritme til at identificere korrelationer i de rumlige mønstre i flere røntgenbilleder.

Fluktuationer og faseovergange er et næsten universelt træk ved stof, og røntgen- og elektronbilleddannelsesteknikker kan bruges til at observere disse fænomener på nanoskalaen. Imidlertid har disse metoder en iboende afvejning mellem høj rumlig opløsning og høj tidsmæssig opløsning - sidstnævnte er nødvendig for at spore dynamikken i fluktuationer og faseovergange.

Mens både tidsmæssig og rumlig opløsning kan forbedres ved at øge belysningen, kan intense stråler af røntgenstråler og elektroner beskadige sarte træk i en prøve.

For at overvinde denne begrænsning har Kloses team udviklet en teknik kaldet coherent correlation imaging (CCI). Deres tilgang bygger på det faktum, at nanoskalaudsving ikke er helt tilfældige, men i stedet viser karakteristiske rumlige mønstre.

Mange snapshots

CCI involverer først at tage tusindvis af snapshots af prøver i hurtig rækkefølge ved at bruge relativt lave belysningsniveauer. Selvom disse øjebliksbilleder for det meste ser ud til at være uadskillelige fra hinanden, fandt forskerne, at de indeholder nok information til at kategorisere hvert billede ved hjælp af en hierarkisk klyngealgoritme. Dette sorterer billederne i grupper med rumlige mønstre, der viser klare korrelationer. Ved at kombinere billederne i hver gruppe var teamet i stand til at rekonstruere klare billeder af mønstrene i prøver.

For at demonstrere deres tilgang brugte Klose og kolleger CCI og røntgenstråler til at afbilde fluktuationer i en tyndfilm ferromagnet. Dette materiale er meget udbredt i moderne harddiske, hvor information er kodet ind i magnetiske domæner. Disse er nanoskalaområder, hvor magnetiseringen enten kan pege i en af ​​to modsatrettede retninger. Disse domæner er kendt for at være meget stabile ved stuetemperatur, med lidt information tabt på grund af udsving. Hidtil har forskere dog ikke været i stand til at bekræfte denne stabilitet direkte ved at afbilde materialet.

Røntgenmikroskopi skærper op

Kloses team brugte CCI til at teste ferromagnetens stabilitet ved 37 °C, hvilket er over stuetemperatur. Langt fra at forblive statisk, identificerede algoritmen overgange mellem 30 forskellige domænetilstande i filmen. Ved at vurdere ligheden mellem disse tilstande bestemte forskerne også rækkefølgen, hvori overgangene fandt sted. Dette gjorde det muligt for Klose og kolleger at konstruere klare, detaljerede film af udsvingene.

Gennem yderligere forbedringer kan CCI snart gøre det muligt for forskere at besvare grundlæggende spørgsmål omkring karakteren af ​​faseovergange i avancerede materialer, herunder højtemperatur-superledere. Klose og kolleger håber nu at udvide deres teknik til elektronmikroskopi - så de kan rekonstruere billeder i endnu mindre skalaer.

Teknikken er beskrevet i Natur.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/coherent-correlation-imaging-tracks-fluctuations-on-the-nanoscale/