Una IA lee patrones magnéticos ocultos en imanes ultrafinos

Por encima de un imán de apenas unas pocas capas atómicas, un sensor de diamante registra un mapa del campo magnético, mientras que el imán en sí permanece oculto. Ese es el problema que se propuso resolver un equipo de la Universidad de Viena. Los microscopios actuales miden el campo fuera del material, no el patrón interno, y muchas configuraciones internas distintas pueden producir el mismo campo externo. Razonar hacia atrás ha sido durante mucho tiempo un desafío. En un estudio publicado en Physical Review Letters, el grupo de Viena, con colegas de Dresde, Singapur y Ulsan, describe un método que reconstruye la estructura oculta y que además halla la distancia al sensor.

El truco es dejar de adivinar. El equipo, dirigido por Claas Abert, combina el aprendizaje automático con las leyes del magnetismo. El algoritmo evalúa posibles patrones magnéticos y conserva el que minimiza la energía física del material mientras reproduce el campo medido. «Dejamos que la energía física del imán decida qué solución es realista», explica Abert. Los patrones que violan leyes físicas básicas quedan excluidos automáticamente. La misma lógica se aplica a la altura del sensor. Los campos magnéticos se debilitan rápidamente con la distancia, de modo que un pequeño error en esa altura distorsiona el patrón reconstruido. El software, por tanto, calcula el patrón y la altura al mismo tiempo, y encuentra una distancia de 81 nanómetros.

El método se probó con mediciones realizadas en el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, en Dresde. Las muestras, de un imán ultrafino llamado Fe₃₋ₓGaTe₂, fueron sintetizadas en la Universidad Nacional de Singapur. El sensor era un dispositivo de diamante basado en un defecto atómico conocido como centro nitrógeno-vacante, situado a decenas de nanómetros por encima de la capa magnética. «En los experimentos, la altura exacta del sensor suele ser desconocida», afirma Uri Vool, jefe de grupo en Dresde. «Extraer la distancia directamente de la medición magnética elimina una fuente importante de error».

Para los investigadores de materiales, la ganancia inmediata es un mapa más fiable, obtenido sin conocer de antemano la altura del sensor. El enfoque se basa en la energía del estado magnético y no en el propio sensor de diamante, de modo que el equipo afirma que el mismo principio puede adaptarse a otras técnicas de imagen magnética. El cálculo de energía usa NeuralMag, un paquete micromagnético de código abierto desarrollado en Viena, y el código de reconstrucción también está disponible gratuitamente. Setescak espera que otros laboratorios apliquen el marco a sus propias mediciones. El equipo ya prepara el siguiente paso: extender el enfoque a la imagen tridimensional por rayos X de nanoestructuras magnéticas complejas. El estudio no ofrece calendario para un uso industrial.

Los límites están claros. Los resultados provienen de mediciones de laboratorio sobre un tipo de imán ultrafino y un tipo de sensor. El estudio no muestra un dispositivo funcional, y los objetivos citados, ordenadores más rápidos y almacenamiento de datos, siguen siendo metas. Lo que el trabajo cambia es la fiabilidad del mapa que los científicos usan para diseñar esos materiales, y su valor dependerá de que otros grupos lo reproduzcan con sus propias mediciones.