科学家的适应能力如何导致对磁性的新见解

随着计划在国家同步加速器光源二号（NSLS-II）使用某条光束线的时间，来自国家同步加速器二号及其合作机构的科学家面临着挑战。他们计划研究一种特殊类型的磁性材料区域，这可能对下一代计算机有用。磁性材料中的区域——称为磁畴——决定了材料的磁性。科学家们想研究这些磁畴是如何在外部磁场的影响下随时间变化的

但科学家们想要使用的新设计的实验室还没有完全准备好。幸运的是，科学家们并不缺少他们想研究的课题

NSLS-II团队改变了方向，在同一受试者身上进行了一项非常相似的实验，可以使用不同的实验室。他们的发现使他们开发了一种全新的技术来拍摄时空中磁性材料的图像。这项技术现在提供了以前从未有过的详细见解

NSLS-II是布鲁克海文国家实验室的能源部（DOE）科学办公室用户设施。它是一种同步加速器光源，提供比太阳亮100亿倍的X射线束。梁揭示了材料中交错的细节层次。它们使科学家能够在纳米尺度上研究粒子是如何运动的（一条DNA链宽2.5纳米）。一些波束线每秒可以拍摄多达100个图像

2018年，该团队最初想在NSLS-II使用一种新开发的相干软X射线散射（CSX）光束线仪器。他们希望研究磁性材料中的skyrmions如何在外部磁场中与外部刺激相互作用。（Skyrmions是磁畴的一种。）

由于腔室不可用，NSLS-II团队稍微转移了实验的重点。在同一束线上的不同腔室中使用X射线，他们可以在不同的条件下研究类似的材料。他们希望增强热运动（由温度引起的随机运动）对传统磁畴的影响

研究人员在固定温度下拍摄了一系列磁畴的图像。将这些图像连接在一起形成了一部短片，就像一本动画书。它显示了平衡条件下磁畴的热运动

结果显示了一些意想不到的东西。磁畴给人的印象是在某些配置周围以重复的方式跳舞

这一结果非常有趣，研究人员想了解更多他们所看到的东西。为了从这些领域的“舞蹈”中提取有意义的知识，他们意识到需要开发一种全新的技术

开发一种新的科学技术绝非易事。首先，科学家们对NSLS-II的数据进行了更深入的研究。他们知道，在所有这些数据中，有关于磁畴如何以及为什么以这种方式移动的细节

但在他们做到这一点之前，他们需要从X射线带来的所有信息中分离出来自磁畴的微弱信号

一旦他们掌握了磁畴配置的信息，他们就将NSLS-II的静态图像相互比较。他们需要将相似的匹配在一起。虽然NSLS-II收集的大量数据可能是一个优势，但它在这里带来了另一个挑战。有将近3万张图片！它太多了，一个人无法整理。科学家们开发了另一种算法来解决这个问题。

经过这些年的工作，该团队开发了一种全新的机器和算法来拍摄磁畴图像。这是必要的，因为磁性材料的许多变化只有在直接拍摄图像时才能看到。但在这之前，科学家们一直无法做到这一点。图像的细节和你拍摄图像以创建材料“电影”的频率之间总是存在权衡。以前的技术最终导致了“电影”过于嘈杂或过于模糊

NSLS-II团队利用他们在X射线技术方面的专业知识，领导开发了一种解决这一冲突的新技术。该团队将其命名为相干相关成像。正如作者在《自然》杂志上发表的一篇论文中所说，这项新技术揭示了“隐藏在物质波动状态中的意外物理的广度”。他们拍摄的黑白图像显示磁畴是边界不均匀的斑点。科学家们像电影一样运行图像，发现一些领域的边界来回移动。但其他国家的边界几乎完全静止不动

研究小组意识到他们所看到的是磁性“钉扎”的一个例子。科学家们已经知道钉扎是磁性材料的一种特性。然而，这是第一次有可能看到如此详细的钉扎。这些细节揭示了钉扎如何影响磁畴的配置及其重复舞蹈

被称为skyrmions的磁畴通常在平坦的表面上像球一样起作用。原子和分子的随机能量，就像阵风一样，导致磁畴在表面周围移动。钉扎会在平坦的表面上产生凹凸。有些地方的作用就像山谷，磁畴更容易“滚动”到那里。还有一些网站就像山丘一样，域名无法越过

科学家们看到的是磁畴的边界来回摆动，但其结构受到这些山丘和山谷的限制。移动了不少的边界没有受到限制。相比之下，几乎没有移动的边界被这些击退的山丘包围