Lần đầu tiên chụp ảnh 3D của các domain từ

Các nhà vật lí ở châu Âu là những người đầu tiên thu được những hình ảnh 3D của các domain từ - những vùng bên trong một chất liệu trong đó tất cả các mômen từ hướng theo cùng một chiều. Trong khi các domain từ 2D trên các bề mặt có thể chụp ảnh bằng một vài kĩ thuật khác, thì hình ảnh 3D vẫn lảng tránh các nhà khoa học kể từ khi những domain ấy lần đầu tiên được đề xuất cách nay 100 năm về trước. Đồng thời cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn vào cách thức các domain hình thành và phát triển, kĩ thuật trên còn có thể giúp cải tiến các ổ đĩa cứng – thiết bị lưu trữ dữ liệu trong các domain từ.

Ranh giới của các domain từ được thể hiện rõ trong bức ảnh 3D do máy tính tạo ra với kĩ thuật chiếu xạ neutron Talbot-Lau. (Ảnh: HZB/Manke, Grothausmann)

Ở dưới một nhiệt độ tới hạn, các mômen từ trong một chất liệu sắt từ, thí dụ như sắt, có xu hướng hướng theo cùng chiều với các láng giềng của chúng. Tuy nhiên, khi không có từ trường ngoài thì tất cả các mômen trong một mẫu sắt sẽ không luôn luôn hướng theo cùng một chiều. Thay vào đó, các vùng vi mô – gọi là các domain – có thể hình thành, nhờ đó tất cả các mômen của một domain sẽ hướng theo một chiều, còn tất cả các mômen của một domain lân cận có thể hướng theo một chiều khác.

Trong khi các nhà vật lí đã có khả năng nghiên cứu tác dụng của các domain lên tính chất từ của các chất liệu, thì họ lại không có khả năng ghi ảnh 3D của các domain ở sâu bên trong một khối chất liệu. Thay vào đó, họ phải dùng đến các kĩ thuật xâm hại như chụp ảnh các domain ở gần bề mặt của một mẫu vật, rồi sau đó tách đi một lớp mỏng và lặp lại phép đo trên.

Chiếu xạ neutron Talbot-Lau

Nay Ingo Manke và Nikolay Kardjilov thuộc Trung tâm Helmholtz Berlin, cùng các đồng nghiệp ở Đức, Thụy Sĩ và Anh, vừa tạo ra được những hình ảnh 3D đầu tiên, sử dụng một kĩ thuật mới gọi là chiếu xạ neutron Talbot-Lau. Họ thực hiện công việc này bằng cách chiếu một chùm kết hợp gồm các neutron năng lượng thấp vào một mẫu hợp kim sắt-silicon. Một số lượng nhỏ neutron hơi bị chệch hướng khi chúng đi qua ranh giới giữa hai domain. Sự chệch hướng này xảy ra vì chiếu suất của chất liệu thay đổi đột ngột tại ranh giới đó. Rồi họ dùng một cách tử nhiễu xạ cùng một máy dò đặt sau nó quét qua chùm neutron chệch hướng để xác định góc lệch.

Phép đo này được lặp lại nhiều lần khi mẫu vật quay đủ 360^o. Dữ liệu sau đó được đưa vào một chương trình máy tính do đội phát triển, chương trình tạo ra một ảnh 3D của các domain. Các hình ảnh có độ phân giải không gian khoảng 35 μm, theo Manke và Kardjilov thì họ có thể cải tiến lên khoảng 1 μm bằng cách sử dụng một máy dò neutron có độ phân giải không gian tốt hơn và một dòng neutron cao hơn.

'Tiến bộ đáng kể'

Bruce Gaulin thuộc trường Đại học McMaster ở Canada, phát biểu rằng, “Tôi rất ấn tượng với chất lượng của ảnh ảo 3D của các domain từ và sự phân tích định lượng mà chất lượng này của dữ liệu cho phép”. Gaulin không có tham gia trong nghiên cứu trên. Ông nói thêm rằng công trình trên là “một tiến bộ đáng kể và tôi hi vọng nó sẽ cho phép người ta tìm hiểu chi tiết hơn nhiều nữa về các cấu trúc domain trong các chất liệu có sức hấp dẫn về mặt kĩ thuật”.

Đồng thời cải tiến cơ cấu thí nghiệm của mình, đội nghiên cứu còn đang phát triển những phương pháp tốt hơn nhằm giảng giải dữ liệu. Đội nghiên cứu còn có kế hoạch sử dụng kĩ thuật trên để kiểm tra các lí thuyết domain từ và thực hiện các phép đo trong từ trường mạnh.

Công trình đăng trên tạp chí Nature Communications DOI:10.1038/ncomms1125.

Theo physicsworld.com