Een venster op de nanowereld: wetenschappers ontwikkelen een nieuwe techniek om fluctuaties in materialen in beeld te brengen

Een team van wetenschappers, geleid door onderzoekers van het Max Born Institute in Berlijn en Helmholtz-Zentrum Berlin in Duitsland en van Brookhaven National Laboratory en het Massachusetts Institute of Technology in de Verenigde Staten heeft een revolutionaire nieuwe methode ontwikkeld voor het vastleggen van hoge resolutie beelden van fluctuaties in materialen op nanoschaal met behulp van krachtige röntgenbronnen.

De techniek, die ze coherente correlatiebeeldvorming (CCI) noemen, maakt het mogelijk om scherpe, gedetailleerde films te maken zonder het monster te beschadigen door overmatige straling. Door een algoritme te gebruiken om patronen in onderbelichte afbeeldingen te detecteren, opent CCI wegen naar voorheen ontoegankelijke informatie. Het team demonstreerde CCI op monsters gemaakt van dunne magnetische lagen en hun resultaten zijn gepubliceerd in Natuur.

Het microscopische rijk van de wereld is voortdurend in beweging en wordt gekenmerkt door onophoudelijke verandering. Zelfs in ogenschijnlijk onveranderlijke vaste materialen kunnen deze fluctuaties aanleiding geven tot ongebruikelijke eigenschappen; een voorbeeld is de verliesloze overdracht van elektrische stroom in supergeleiders op hoge temperatuur. Fluctuaties zijn vooral uitgesproken tijdens faseovergangen, waarbij een materiaal van toestand verandert, zoals van vast naar vloeibaar tijdens het smelten.

Wetenschappers onderzoeken ook heel verschillende faseovergangen, zoals van niet-geleidend naar geleidend, niet-magnetisch naar magnetisch, en veranderingen in de kristalstructuur. Veel van deze processen worden gebruikt in de technologie en spelen ook een cruciale rol in het functioneren van levende organismen.

Het probleem: te veel verlichting kan het monster beschadigen

Het is echter een moeilijke taak om deze processen in detail te bestuderen, en het vastleggen van een film van deze fluctuatiepatronen is nog uitdagender. Dit komt omdat de fluctuaties snel gebeuren en plaatsvinden op nanometerschaal – een miljoenste van een millimeter. Zelfs de meest geavanceerde röntgen- en elektronenmicroscopen met hoge resolutie zijn niet in staat om deze snelle, willekeurige beweging vast te leggen. Het probleem is fundamenteel geworteld, zoals geïllustreerd door dit principe van fotografie: om een ​​duidelijk beeld van een object vast te leggen, is een bepaald niveau van verlichting vereist. Om het object te vergroten, dat wil zeggen “inzoomen”, is meer verlichting nodig. Er is nog meer licht nodig wanneer u probeert een snelle beweging vast te leggen met een korte belichtingstijd.

Uiteindelijk leidt het verhogen van de resolutie en het verkorten van de belichtingstijd tot een punt waarop het object zou worden beschadigd of zelfs vernietigd door de vereiste verlichting. Dit is precies het punt dat de wetenschap de afgelopen jaren heeft bereikt: momentopnamen gemaakt met vrije-elektronenlasers, de meest intense röntgenbronnen die vandaag beschikbaar zijn, leidden onvermijdelijk tot de vernietiging van het bestudeerde monster. Als gevolg hiervan werd het onmogelijk geacht om een ​​film vast te leggen van deze willekeurige processen bestaande uit meerdere afbeeldingen.

Nieuwe aanpak: een algoritme gebruiken om patronen in slecht verlichte foto’s te detecteren

Een internationaal team van wetenschappers heeft nu een oplossing gevonden voor dit probleem. De sleutel tot hun oplossing was het besef dat de fluctuatiepatronen in materialen vaak niet geheel willekeurig zijn. Door zich te concentreren op een klein deel van de steekproef, zagen de onderzoekers dat bepaalde ruimtelijke patronen herhaaldelijk naar voren kwamen, maar de exacte timing en frequentie van deze patronen waren onvoorspelbaar.

De wetenschappers hebben een nieuwe niet-destructieve beeldvormingsmethode ontwikkeld, coherente correlatiebeeldvorming (CCI) genaamd. Om een ​​film te maken, maken ze snel achter elkaar meerdere momentopnamen van het monster, terwijl ze de verlichting voldoende verminderen om het monster intact te houden. Dit resulteert echter in individuele afbeeldingen waarbij het fluctuatiepatroon in het monster onduidelijk wordt. Toch bevatten de afbeeldingen nog voldoende informatie om ze in groepen te verdelen.

Om dit te bereiken, moest het team eerst een nieuw algoritme maken dat de correlaties tussen de afbeeldingen analyseert, vandaar de naam van de methode. De momentopnamen binnen elke groep lijken erg op elkaar en zijn dus waarschijnlijk afkomstig van hetzelfde specifieke fluctuatiepatroon. Pas wanneer alle opnames in een groep samen worden bekeken, ontstaat er een duidelijk beeld van het monster. De wetenschappers zijn nu in staat om de film terug te spoelen en elke momentopname te associëren met een duidelijk beeld van de toestand van het monster op dat moment.

Een voorbeeld: De ‘dans der domeinen’ filmen in magnetische lagen

De wetenschappers bedachten deze nieuwe methode om een ​​specifiek probleem op het gebied van magnetisme aan te pakken: microscopische patronen die voorkomen in dunne ferromagnetische lagen. Deze lagen zijn verdeeld in gebieden die bekend staan ​​als domeinen, waarin de magnetisatie naar boven of naar beneden wijst. Vergelijkbare magnetische films worden gebruikt in moderne harde schijven waar de twee verschillende soorten domeinen bits coderen met “0” of “1”. Tot nu toe werd aangenomen dat deze patronen extreem stabiel waren. Maar is dit echt waar?

Om deze vraag te beantwoorden, onderzocht het team een ​​monster bestaande uit zo’n magnetische laag bij de National Synchrotron Light Source II op Long Island nabij New York City, met behulp van de nieuw ontwikkelde CCI-methode. De patronen bleven inderdaad onveranderd bij kamertemperatuur. Maar bij een enigszins verhoogde temperatuur van 37 graden Celsius (98 graden Fahrenheit) begonnen de domeinen grillig heen en weer te bewegen en elkaar te verplaatsen. De wetenschappers observeerden deze “dans van de domeinen” gedurende enkele uren. Vervolgens hebben ze een kaart gemaakt waarop de voorkeurslocatie van de grenzen tussen de domeinen is aangegeven. Deze kaart en de film van de bewegingen leidden tot een beter begrip van de magnetische interacties in de materialen, waardoor toekomstige toepassingen in geavanceerde computerarchitecturen werden bevorderd.

Nieuwe mogelijkheden voor materiaalonderzoek bij röntgenbronnen

Het volgende doel van de wetenschappers is om de nieuwe beeldvormingsmethode te gebruiken op vrije-elektronenlasers, zoals de Europese XFEL in Hamburg, om dieper inzicht te krijgen in nog snellere processen op de kleinste lengteschalen. Ze zijn ervan overtuigd dat deze methode ons begrip van de rol van fluctuaties en stochastische processen in de eigenschappen van moderne materialen zal verbeteren, en als gevolg daarvan nieuwe methoden zal ontdekken om ze op een meer gerichte manier te gebruiken.