Cientistas fotografam ‘tornados magnéticos’ na ação de ímãs

Técnica inovadora ajudará a desenvolver novos tipos de ímãs para armazenar e processar dados

"Tornado" visualizado pela nova técnica: fios milhares de vezes mais finos do que os de cabelo humano. Crédito: Claire Donnelly

Cientistas britânicos e suíços desenvolveram uma técnica de imagem tridimensional para observar comportamentos complexos em ímãs, incluindo ondas em movimento rápido e ‘tornados’ milhares de vezes mais finos que um cabelo humano. Os resultados foram publicados na revista “Nature Nanotechnology”.

A equipe, das universidades de Cambridge e Glasgow, no Reino Unido, e da ETH Zurique e do Instituto Paul Scherrer, na Suíça, usou sua técnica para observar o comportamento da magnetização em três dimensões, de forma pioneira. A técnica, chamada laminografia magnética com resolução em tempo, poderia ser usada para entender e controlar o comportamento de novos tipos de ímãs para armazenamento e processamento de dados da próxima geração.

Os ímãs são amplamente utilizados em aplicações de armazenamento de dados, produção de energia e sensores. Para entender por que os ímãs se comportam dessa maneira, é importante entender a estrutura de sua magnetização e como essa estrutura reage à mudança de correntes ou campos magnéticos.

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“Até agora, não era possível medir de fato como os ímãs respondem à mudança dos campos magnéticos em três dimensões”, disse Claire Donnelly, do Cavendish Laboratory, de Cambridge, e primeira autora do estudo. “Somente conseguimos observar esses comportamentos em filmes finos, que são essencialmente bidimensionais e, portanto, não nos dão uma imagem completa.”

Esforço complexo

Passar de duas dimensões para três é altamente complexo, no entanto. Modelar e visualizar o comportamento magnético é algo relativamente simples em duas dimensões, mas em três dimensões, a magnetização pode apontar em qualquer direção e forma, o que torna os ímãs tão poderosos.

“Não só é importante saber quais padrões e estruturas essa magnetização forma, mas é essencial entender como ela reage aos estímulos externos”, disse Donnelly. “Essas respostas são interessantes do ponto de vista fundamental, mas são cruciais quando se trata de dispositivos magnéticos usados ​​em tecnologia e aplicações.”

Um dos principais desafios na investigação dessas respostas está relacionado ao motivo pelo qual os materiais magnéticos são tão relevantes para tantas aplicações: as mudanças na magnetização em geral são muito pequenas e acontecem de modo extremamente rápido. As configurações magnéticas – as chamadas estruturas de domínio – exibem recursos da ordem de dezenas a centenas de nanômetros, milhares de vezes menores que a largura de um cabelo humano, e geralmente reagem a campos e correntes magnéticos em bilionésimos de segundo.

Agora, Donnelly e seus colaboradores desenvolveram uma técnica para olhar dentro de um ímã, visualizar sua nanoestrutura e como ela responde a um campo magnético variável em três dimensões e no tamanho e prazos necessários.

Tempestade em nanoescala

A técnica que eles desenvolveram usa raios X ultrabrilhantes de uma fonte síncrotron para sondar o estado magnético de diferentes direções em nanoescala e como ele muda em resposta a um campo magnético que se alterna rapidamente. O conjunto de dados em sete dimensões resultante (três dimensões para a posição, três para a direção e uma para o tempo) é então obtido usando um algoritmo de reconstrução especialmente desenvolvido, fornecendo um mapa da dinâmica de magnetização com resolução temporal de 70 picossegundos e resolução espacial de 50 nanômetros.

O que os pesquisadores viram com sua técnica foi como uma tempestade em nanoescala: padrões de ondas e tornados se movendo de um lado para o outro à medida que o campo magnético mudava. O movimento desses tornados, ou vórtices, só havia sido observado anteriormente em duas dimensões.

Os pesquisadores testaram sua técnica usando ímãs convencionais, mas dizem que ela também pode ser útil no desenvolvimento de tipos de ímãs que exibem novos tipos de magnetismo. Esses novos ímãs, como os nanomagnetos impressos em 3D, podem ser úteis para novos tipos de armazenamento e processamento de dados de alta densidade e alta eficiência.

“Agora podemos investigar a dinâmica de novos tipos de sistemas que podem abrir novos aplicativos em que nem pensamos”, disse Donnelly. “Essa nova ferramenta nos ajudará a entender e controlar seu comportamento.”