Mithilfe einer neuen Bildrekonstruktionstechnik haben Physiker in Deutschland und den USA klare und detaillierte Filme von nanoskaligen Fluktuationen in einem magnetischen Material gemacht. Um diese Merkmale zu erfassen, hat ein Team unter der Leitung von Christoph Klose am Max-Born-Institut, Berlin, verwendeten einen fortschrittlichen Algorithmus, um Korrelationen in den räumlichen Mustern in mehreren Röntgenbildern zu identifizieren.
Fluktuationen und Phasenübergänge sind nahezu universelle Merkmale von Materie, und Röntgen- und Elektronenbildgebungsverfahren können verwendet werden, um diese Phänomene im Nanomaßstab zu beobachten. Diese Methoden haben jedoch einen inhärenten Kompromiss zwischen hoher räumlicher Auflösung und hoher zeitlicher Auflösung – letztere wird benötigt, um die Dynamik von Fluktuationen und Phasenübergängen zu verfolgen.
Während sowohl die zeitliche als auch die räumliche Auflösung durch Verstärkung der Beleuchtung verbessert werden können, können intensive Röntgen- und Elektronenstrahlen empfindliche Merkmale in einer Probe beschädigen.
Um diese Einschränkung zu überwinden, hat Kloses Team eine Technik namens Coherent Correlation Imaging (CCI) entwickelt. Ihr Ansatz beruht auf der Tatsache, dass nanoskalige Schwankungen nicht völlig zufällig sind, sondern charakteristische räumliche Muster aufweisen.
Viele Schnappschüsse
CCI beinhaltet zunächst das Aufnehmen von Tausenden von Schnappschüssen von Proben in schneller Folge bei relativ geringer Beleuchtung. Während diese Schnappschüsse größtenteils undeutlich voneinander zu sein scheinen, stellten die Forscher fest, dass sie genügend Informationen enthalten, um jedes Bild mithilfe eines hierarchischen Clustering-Algorithmus zu kategorisieren. Dadurch werden die Bilder in Gruppen mit räumlichen Mustern sortiert, die eindeutige Zusammenhänge aufweisen. Durch die Kombination der Bilder in jeder Gruppe war das Team in der Lage, klare Bilder der Muster in Proben zu rekonstruieren.
Um ihren Ansatz zu demonstrieren, verwendeten Klose und Kollegen CCI und Röntgenstrahlen, um Schwankungen in einem Dünnfilm-Ferromagneten abzubilden. Dieses Material wird häufig in modernen Festplatten verwendet, wo Informationen in magnetische Domänen codiert werden. Dies sind nanoskalige Bereiche, in denen die Magnetisierung entweder in eine von zwei entgegengesetzten Richtungen zeigen kann. Es ist bekannt, dass diese Domänen bei Raumtemperatur sehr stabil sind, wobei nur wenige Informationen aufgrund von Schwankungen verloren gehen. Bisher konnten Forscher diese Stabilität jedoch nicht direkt durch Bildgebung des Materials bestätigen.
Röntgenmikroskopie schärft
Kloses Team nutzte CCI, um die Stabilität des Ferromagneten bei 37 °C zu testen, was über der Raumtemperatur liegt. Weit davon entfernt, statisch zu bleiben, identifizierte der Algorithmus Übergänge zwischen 30 unterschiedlichen Domänenzuständen im Film. Durch die Bewertung der Ähnlichkeit zwischen diesen Zuständen bestimmten die Forscher auch die Reihenfolge, in der die Übergänge auftraten. Dadurch konnten Klose und Kollegen klare, detaillierte Filme der Schwankungen erstellen.
Durch weitere Verbesserungen könnte CCI Forscher bald in die Lage versetzen, grundlegende Fragen zur Natur von Phasenübergängen in fortschrittlichen Materialien, einschließlich Hochtemperatur-Supraleitern, zu beantworten. Klose und Kollegen hoffen nun, ihre Technik auf die Elektronenmikroskopie auszudehnen – damit sie Bilder in noch kleineren Maßstäben rekonstruieren können.
Die Technik ist beschrieben in Natur.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/coherent-correlation-imaging-tracks-fluctuations-on-the-nanoscale/
