Avec le temps prévu pour utiliser une certaine ligne de lumière à la National Synchrotron Light Source-II (NSLS-II), les scientifiques de NSLS-II et leurs institutions partenaires ont été confrontés à un défi. Ils prévoyaient de rechercher un type spécial de région dans les matériaux magnétiques qui pourrait être utile pour les ordinateurs de nouvelle génération. Les régions des matériaux magnétiques, appelées domaines magnétiques, déterminent les propriétés magnétiques d'un matériau. Les scientifiques voulaient étudier comment ces domaines magnétiques évoluaient au fil du temps sous l'influence d'un champ magnétique extérieur.

Mais la nouvelle chambre expérimentale que les scientifiques souhaitaient utiliser n’était pas encore prête. Heureusement, les scientifiques ne manquaient pas de sujets à étudier.

L’équipe NSLS-II a changé de vitesse pour mener une expérience très similaire sur le même sujet qui pourrait utiliser une chambre différente. Ce qu’ils ont découvert les a amenés à développer une toute nouvelle technique pour prendre des images de matériaux magnétiques dans l’espace et dans le temps. Cette technique fournit désormais des informations détaillées qui n'avaient jamais été possibles auparavant.

NSLS-II est une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l'énergie (DOE) du Laboratoire national de Brookhaven. Il s’agit d’une source de lumière synchrotron qui fournit des faisceaux de rayons X 10 milliards de fois plus lumineux que le soleil. Les poutres révèlent des niveaux de détails stupéfiants dans les matériaux. Ils permettent aux scientifiques d’examiner comment les particules se déplacent à l’échelle nanométrique (un brin d’ADN mesure 2,5 nanomètres de large). Certaines lignes de lumière peuvent prendre jusqu'à 100 images par seconde.

En 2018, l’équipe souhaitait à l’origine utiliser un instrument nouvellement développé pour la ligne de lumière Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) du NSLS-II. Ils espéraient examiner comment les skyrmions présents dans un matériau magnétique interagissaient avec des stimuli externes au sein d'un champ magnétique externe. (Les Skyrmions sont un type de domaine magnétique.)

La chambre n’étant pas disponible, l’équipe NSLS-II a légèrement déplacé le centre de son expérience. Avec des rayons X dans une chambre différente sur la même ligne de lumière, ils pourraient étudier des matériaux similaires dans des conditions différentes. Ils voulaient améliorer l'effet du mouvement thermique (mouvement aléatoire induit par la température) sur les domaines magnétiques conventionnels.

Les chercheurs ont pris une série d’images des domaines magnétiques à températures fixes. La connexion de ces images a créé un court métrage, comme un flipbook. Il a montré le mouvement thermique des domaines magnétiques dans des conditions d'équilibre.

Les résultats ont montré quelque chose d'inattendu. Les domaines magnétiques donnaient l'impression de danser de manière répétitive autour de certaines configurations.

Le résultat était si intrigant que les chercheurs ont voulu en savoir plus sur ce qu’ils avaient vu. Pour extraire des connaissances significatives de la « danse » des domaines, ils ont réalisé qu'ils devaient développer une toute nouvelle technique.

Développer une nouvelle technique scientifique est loin d’être facile. Premièrement, les scientifiques ont examiné de plus près les données du NSLS-II. Ils savaient que quelque part dans toutes ces données se trouvaient des détails sur comment et pourquoi les domaines magnétiques se déplaçaient comme ils le faisaient.

Mais avant de pouvoir le faire, ils devaient séparer le signal faible provenant des domaines magnétiques de toutes les informations mises en évidence par les rayons X.

Une fois qu'ils ont eu des informations sur les configurations des domaines magnétiques, ils ont comparé les images fixes de NSLS-II entre elles. Ils devaient faire correspondre des éléments similaires. Même si l’immense quantité de données collectées par NSLS-II peut être une force, elle crée ici encore un autre défi. Il y avait près de 30 000 images ! Il y en avait beaucoup trop pour qu’une personne puisse les trier. Les scientifiques ont développé un autre algorithme pour y remédier.

À la suite de ces années de travail, l’équipe a développé une machinerie et un algorithme entièrement nouveaux pour prendre des images de domaines magnétiques. Cela était nécessaire car de nombreux changements dans les matériaux magnétiques ne sont visibles que si vous prenez des images directes. Mais jusqu’à présent, les scientifiques n’y étaient pas parvenus. Il y avait toujours un compromis entre le niveau de détail de l'image et la fréquence à laquelle vous preniez des images pour créer le « film » du matériau. Les techniques précédentes aboutissaient à des "films" trop bruyants ou trop flous.

L'équipe NSLS-II a utilisé son expertise dans les techniques de rayons X pour diriger le développement d'une nouvelle technique permettant de résoudre ce conflit. L’équipe l’a nommé imagerie de corrélation cohérente. Comme l'ont dit les auteurs dans un article publié dans Nature , la nouvelle technique a révélé "l'étendue d'une physique inattendue cachée dans les états fluctuants de la matière".

Avec cette nouvelle technique en main, l’équipe a pu interpréter les données. Les images en noir et blanc qu’ils ont prises montraient les domaines magnétiques sous forme de taches aux bordures inégales. En visionnant les images comme dans un film, les scientifiques ont constaté que les frontières de certains domaines se déplaçaient d'avant en arrière. Mais les frontières des autres sont restées presque complètement immobiles.

L’équipe a réalisé que ce qu’elle voyait était un exemple de « blocage » magnétique. Les scientifiques savaient déjà que l’épinglage était une propriété des matériaux magnétiques. Cependant, c’était la première fois qu’il était possible de voir l’épinglage avec autant de détails. Ces détails ont révélé comment l'épinglage affectait la configuration des domaines magnétiques et leur danse répétitive.

Les domaines magnétiques appelés skyrmions agissent généralement comme des boules sur une surface plane. L'énergie aléatoire des atomes et des molécules, comme les rafales de vent, provoque le déplacement des domaines autour de la surface. L'épinglage crée des bosses et des vallées sur cette surface plane. Certains sites agissent comme des vallées, dans lesquelles les domaines magnétiques sont plus susceptibles de « rouler ». Il existe d'autres sites qui agissent comme des collines que les domaines ne peuvent pas franchir.

Ce que les scientifiques voyaient, c'était les frontières du domaine magnétique oscillant d'avant en arrière mais limitées dans leur configuration par ces collines et ces vallées. Les frontières qui bougeaient beaucoup n’étaient pas contraintes. En revanche, les frontières qui bougeaient à peine étaient entourées de ces tronçons de collines qui les repoussaient. L’image ci-dessus est une compilation de l’endroit où les limites des domaines magnétiques se sont accumulées. Les zones les plus lumineuses sont les endroits vers lesquels les frontières du domaine se sont déplacées encore et encore. Le nombre limité de configurations disponibles a amené le système à répéter de manière aléatoire les configurations magnétiques disponibles, encore et encore. C'était comme mélanger les pas d'une danse répétitive.

L’imagerie de corrélation cohérente a non seulement permis aux scientifiques de constater ces changements pour la première fois, mais également de comprendre pourquoi ils se produisaient. Ces informations sont essentielles pour déterminer comment contrôler les skyrmions – l’objectif final de l’étude initiale il y a plus de six ans. Les Skyrmions peuvent être utilisés de manière à imiter la mémoire humaine à court terme, ce qui pourrait être important pour l'intelligence artificielle.

Mais les applications de l’imagerie de corrélation cohérente vont bien au-delà des skyrmions. Cette technique peut être utile pour toutes sortes de recherches sur les transitions de phase dans les matériaux. Pour les domaines magnétiques, l'imagerie de corrélation cohérente a des implications pour l'électronique future et au-delà.

En fin de compte, l'équipe de recherche a transformé un défi inattendu en un grand pas en avant pour la recherche sur les matériaux.

Plus d'informations : Christopher Klose et al, Imagerie de corrélation cohérente pour résoudre les états fluctuants de la matière, Nature (2023). DOI :10.1038/s41586-022-05537-9

Informations sur le journal : Nature

Fourni par le Département américain de l'énergie