Los investigadores utilizaron un potente microscopio de rayos X personalizado en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía para observar directamente la versión magnética de un solitón, un tipo de onda que puede viajar sin resistencia. Los científicos están explorando si tales ondas magnéticaspuede usarse para transportar y almacenar información en una nueva forma más eficiente de memoria de computadora que requiere menos energía y genera menos calor.
Los solitones magnéticos son notablemente estables y mantienen su forma y resistencia a medida que viajan a través de un material magnético, al igual que los tsunamis mantienen su fuerza y forma mientras atraviesan el océano. Esto ofrece una ventaja sobre los materiales utilizados en la electrónica moderna, que requieren más energía paramover datos debido a la resistencia, lo que hace que se calienten.
En experimentos en Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, los investigadores capturaron las primeras imágenes de rayos X de solitones y una mini película de solitones que se generaron al golpear un material magnético con corriente eléctrica para excitar la ondulación.efectos magnéticos. Los resultados de dos experimentos independientes se publicaron el 16 de noviembre en Comunicaciones de la naturaleza y el 17 de septiembre Cartas de revisión física .
"El magnetismo se ha utilizado para la navegación durante miles de años y más recientemente para construir generadores, motores y dispositivos de almacenamiento de datos", dijo el coautor Hendrik Ohldag, científico de SSRL. "Sin embargo, los elementos magnéticos fueron vistos principalmente como estáticos yuniforme. Para superar los límites de la eficiencia energética en el futuro, necesitamos comprender mejor cómo se comportan los dispositivos magnéticos en escalas de tiempo rápidas a escala nanométrica, razón por la cual estamos utilizando este microscopio de rayos X ultrarrápido dedicado ".
"Esta es una observación emocionante porque muestra que las ondas magnéticas pequeñas, conocidas como ondas de espín, pueden sumar una grande en un imán", explica Andrew Kent, profesor de física en la Universidad de Nueva York y unautor principal de uno de los estudios. "Un método de rayos X especializado que puede enfocarse en elementos magnéticos particulares con una resolución muy alta permitió este descubrimiento y debería permitir muchas más ideas sobre este comportamiento".
Los solitones son una forma de ondas de espín, que son perturbaciones que se propagan en un material magnético como una respuesta ondulada modelada en los electrones del material. Esta respuesta está relacionada con el espín de los electrones, una propiedad fundamental de las partículas que puede considerarse comoya sea "arriba" o "abajo", como los lados de la cabeza o la cola de una moneda.
En 1834, John Scott Russell, un ingeniero civil y constructor naval escocés, describió por primera vez su observación del fenómeno del solitón en una ola producida por un barco que mantenía una forma uniforme durante más de una milla mientras viajaba por un canal. Solitones había sido durante décadasse teorizó que ocurría en imanes, pero se necesitó un microscopio de rayos X especializado como el de SLAC para observar directamente el efecto.
"Construimos un microscopio que nos permitió observar estas ondas magnéticas de una manera nueva", dijo Stefano Bonetti, autor principal del estudio publicado en Nature Communications. Bonetti es becario postdoctoral de la Universidad de Stanford ahora en la Universidad de Estocolmo ".Con este nuevo microscopio, podemos verlos en movimiento ", dijo." Podemos ver las cosas directamente ".
Una cámara ultrarrápida acoplada al microscopio permitió a los investigadores grabar seis imágenes que fueron compiladas en secuencia para formar una "película" del movimiento del solitón. Tomó alrededor de 12 horas registrar suficientes datos de rayos X para producir la película.
La alta resolución del microscopio de rayos X reveló una anomalía en los efectos de la onda giratoria: mientras los investigadores esperaban que el solitón voltee completamente la alineación magnética local del material, como una brújula que cambia de norte a sur, descubrieron queel solitón causó que la orientación magnética del material cambiara solo ligeramente.
"Esperaríamos ver esto al revés o al revés", dijo Bonetti. "Pero no retrocedió, simplemente se inclinó unos 25 grados. La situación no es tan simple como la gente pensaba".
Además, en uno de los experimentos, los investigadores vieron que el solitón se dividía en dos: se esperaba que tomara una forma esférica o circular, pero en su lugar parecía dividido en el medio, como si una ola oceánica que se aproxima se hubiera dividido en dos ondas separadas que estabanimágenes especulares el uno del otro. "En las simulaciones que estábamos usando antes, estábamos ciegos a esta posibilidad", dijo Bonetti.
Bonetti dijo que se necesitan más experimentos para comprender tanto el efecto de inclinación como la forma en que el solitón se puede dividir en una forma reflejada. Las simulaciones podrían ayudar a los investigadores a aprender cómo convertir el patrón reflejado del solitón en una forma simétrica más uniforme, éldicho, o para entender cómo usar el formulario dividido para aplicaciones de datos.
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Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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